基于PXI架构的导航信号模拟器设计

董立桥,周雪娟

(1.河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心,河北石家庄050081;2.武汉大学,湖北武汉430072)

0 引言

任何接收机的研制,接收技术的突破都离不开信号模拟源的建设。美国的GPS和俄罗斯的GLONASS是较成熟的导航系统,欧洲Galileo系统推进了导航技术的现代化进程。同时为了实现自主导航技术的发展,我国Compass系统正在加紧建设中,卫星星座的建立正在按部就班地进行,Compass终端在国内乃至全球的广泛应用将成为必然。Compass导航信号模拟器和多模导航信号模拟器的研制必须走在前面,这对于我国单模、多模接收机研制是强有力的支持。

为实现对多种导航系统信号体制仿真、研究、接收机开发等目的,导航信号模拟器必须具有足够的灵活性,对各种仿真任务具有充分的可扩充性,需要完成对干扰环境和高动态等特性等的仿真,具有一定的扩展能力。

1 组成

1.1 总体构架

通用导航信号模拟器采用软件无线电设计思想来构建,结构上采用PXI标准机箱结构,实现了板卡的通用化、模块化,使之更加灵活和易于扩充配置。设计基于“上位机—PCI总线—DSP—FPGA—DAC—正交上变频—射频合路”的体系结构,在一个PXI机箱中完成数据仿真、电文生成和信号产生等功能。通用导航信号模拟器组成如图1所示。

模拟器由上位机子系统和射频信号产生子系统组成。上位机子系统为软件应用程序,运行于PXI机箱的零槽CPU模块;射频信号产生子系统为硬件电路,板卡式结构,包括射频信号产生板卡、射频信号合路板卡和时频信号分路板卡等。

图1 通用导航信号模拟器组成

1.2 上位机子系统

上位机子系统主要完成的功能有:卫星星座运行模拟;接收机(用户)动态轨迹的生成模拟;卫星各种误差建模;空间环境模拟;根据卫星星座的选择,推算可见星的导航电文和星历;仿真数据的分析存储与处理;卫星星座星空视图、可见星状态参数、用户GDOP数值和用户实时运动轨迹等的实时显示。由于篇幅限制,不再给出流程图和代码模块简介。

零槽模块可以根据模拟星座和动态要求需要的运算量来进行配置,对于普通目的的模拟器现在商用的零槽板卡基本上就能满足要求,操作系统选择WINDOWS XP。

1.3 射频信号产生子系统

射频信号产生板卡是射频信号产生子系统的重要组成部分,一般配置3～6块。在一块板卡上完成了基带信号产生功能和本振频综功能和正交上变频功能,其功能逻辑关系如图2所示。

图2 射频信号产生板卡结构

板卡可以产生单频点至少12颗卫星的射频信号,模拟了卫星和用户的相对运动,每颗卫星最多3条多径信号,可以累加各种因素对信号的干扰。射频板卡通过配置内置软件可以实现GPS、Galileo或Compass系统的各种调制模式信号,射频产生板卡可以根据系统要求进行裁剪和配置,若只需单个星座,仅3块板卡就可完成全频点全功能模拟。

射频信号合路器为亦为板卡式结构,无源设计,设置有7路(按照2个完整星座系统配置)L波段信号输入,其中6路为来自射频信号产生板卡(2个完整星座系统),为卫星模拟射频信号,1路为预留,用户可以根据需要外接自己的信号源或干扰源。

时频信号分路板卡,功能较为单一,完成外来时频的分路,供多路射频信号产生板卡使用。

2 关键技术

导航模拟器是一个全新的课题,涉及到正交调制、多星座模拟、多径模拟和多种调制方式生成等关键技术,下面就部分技术实现进行简单介绍。

2.1 正交调制技术

以QPSK信号产生为例,功率平衡QPSK信号可理解为二路载波正交的BPSK之和:

式中,I(n),Q(n)=±1;φ为初相;ω为载波角频率,则

I、Q的4种组合分别对应4种相位,从而实现四相调制。

当已调信号的带宽远小于调制载波频率时,对于任意已调信号来说,都可以用S(t)=R(t)cos[ωct+θ(t)]来表示,其中幅度R(t)和相位θ(t)表征了基带信号的全部特征,R(t)表示该信号的幅度调制信息,θ(t)表示该信号的相位调制信息,将上式展开后有:

式中 ,I(t)=R(t)cosθ(t);Q(t)=R(t)sinθ(t),分别为I、Q 分量 。

由上式可知,通过调整I和Q的权值可以达到调整PSK调制信号的相位 θ和幅度R(t)的目的。调制的方法是根据该通道的相位参数 θ和幅度参数R(t)先求出I(t)、Q(t),然后分别与2个正交本振cosωct和sinωct相乘并求和,即可得到PSK调制信号S(t)。

由以上分析得知,要使用正交调制方案生成需要的信号,只需在基带产生上述信号中的I(t)、Q(t),只要与正交本振信号去乘就能完成几乎所有导航所需信号的调制。而且正交调制的好处是所有的射频特征都在基带得以体现,也就是说所需的射频信号的幅度相位的模拟都可以在基带完成,这样为模拟器的实现提供了有力支持。

2.2 多普勒实现技术

当卫星和用户发生了相对运动,多普勒频移就产生了。多普勒频移遵循公式,其中 Δf为当相对运动时附加在频率量f上的多普勒频移,v为卫星和用户的相对速度,c为光速。

参照式(1)可推出,射频信号多普勒频移由码多普勒和载波多普勒2部分组成。

与码多普勒不同,载波多普勒是累加在射频本振频率上的频率偏移,很难实现,所以需要进行一定的变换,思路是在较低的频率上实现多普勒频疑和相移。重写式(1)为:

式中,I、Q为基带正交信号;fs为最终的频率;φ为初始相位偏移。为了把射频频率分开,这里拟在基带实现一个小中频频率的调制,中频频率选择较小值,以便在FPGA内部可以很容易的实现,以GPS的L1频点为例,射频频率为1 575.42,中频频率选择其小数部分:1.42 MHz,则后端的正交调制本振为1 574 MHz,令fR=1 574 MHz,FI=1.42 MHz,则式(2)为:

由上述分析可知,射频已调信号的多普勒频偏和相位偏移都可以反映在小中频上。码多普勒和载波多普勒均可在FPGA内实现,其原理框图如图3所示。

图3 基带信号生成框图

在基带完成码扩频,小中频调制,输出正交的调制信号,送DA转换器,DA后的工作仅为和正交的射频本振相乘。以GPS L1为例,本振可以选取1 574 MHz。需要补充说明的是设计中的多星信号合成就是在如图3所示产生的I′和Q′,送DA之前相加来实现的。

至于2个多普勒量的实现,该方案采取多级DDS调整方案,码多普勒实现原理框图如图4所示。载波DDS的实现原理类似,不再给出。

图4 码钟方案原理

方案中使用了3级DDS,其中伪距控制字对应于伪距,1次量控制字对应于相对速度,2次量控制字对应相对加速度,3次量对应相对加加速度。所有这些量的计算可以由上位机来完成,射频信号产生板卡上由DSP来完成控制字的计算和更新。

2.3 多径模拟技术

多径模拟是导航信号模拟器必不可少的功能,是模拟用户周围的反射物对卫星导航信号的反射,经延迟和衰减后再到达用户机,与直达信号叠加的一种现象。

多径实现起来有2种方案:①就像同频点多卫星信号合成一样,使用单独的信号产生电路,控制其延迟和幅度,在输出时和主径信号取和;②基于多径信号是主径信号反射原理,在生成主径信号后,将其处理,完成延迟和衰减,然后在和主径信号相加。这2种方案原理上都是可操作和实现的,区别是前者使用了更多的软硬件资源,精度更高一些,而后者节省了大量的资源开销,能满足一般的需求。

2.4 导航电文的生成

导航电文提供卫星的轨道位置、健康状况和误差等信息。导航电文的生成一般是以星历文件为数据源,经过推算来获得。

以GPS系统为例,读取Rinex文件,获得电离层延迟改正参数、与UTC时间同步参数、卫星钟差参数以及星历参数等,将获得的这些数据保存在星历参数结构体和历书参数结构体中。

比较用户设置的仿真起始时刻与星历参数参考时刻,如果二者相差超过规定时间(一般取1小时),则进行星历外推,在现有星历参数的基础上,外推得到一组与用户设置的仿真起始时刻的整点时刻对应的星历参数;反之,如果二者之差在规定时间之内,则不需要做星历外推。

得到的星历参数一方面用于卫星位置的计算,另一方面用于生成导航系统的一个超帧的下行电文。下行电文中的周内秒计数,通过计算得到:根据用户设置的仿真起始时刻,估算出卫星信号发射时刻,与卫星信号发射时刻对应,首先得到一个超帧中第一个子帧的周内秒计数,后面子帧的周内秒计数在其上一子帧的周内秒基础上加上一个子帧持续的时间。然后将上面得到的各个参数值除以ICD中指定的每个参数的量化单位,得到量化后的参数值。按照下行电文格式,将量化后的参数值赋值给下行电文中的各个比特。

2.5 时间同步的实现

无论是单模模拟器还是双模,只要存在多频点,都需要实现时间同步。该设计需要的时间频率信号有10 MHz和1 pps信号,为了实现至少6块板卡的同步,考虑引入一个时间频率分路板卡,实现多路驱动输出,保证了系统中的多路射频信号产生板卡工作在统一的时频下。

另外一个需要注意的是,由于上位机子系统是软件系统,定时是靠计算机来完成的,远远不能满足导航系统所需要的时间精度。而软件系统计算的仿真数据又需要按照固定的节拍发送给射频信号产生板卡,这里要求所有的时间节奏由射频信号产生板卡来产生,在固定时刻通过PCI总线发送中断给上位机,上位机响应中断后只要在规定的时间内完成发送就可以做到软件和硬件的同步。

3 结束语

北斗卫星导航系统的建设推动了国内导航信号模拟器的研究。但双模或多模的导航信号模拟器还没有能够提供市场的产品,这也就决定了我国的多模接收机和芯片的研发水平还落后于国外。自主导航信号模拟器在市场上的推广,将提供各接收机的研发、生产厂商一个廉价的开发、测试和试验环境,加速我国的多模接收机研究进程,提高我国在高端接收机的研发和生产能力。

自主导航信号模拟器可为卫星导航在中国的推广应用提供必要的支撑条件。同时也为GPS/GALILEO/Compass导航系统的组合应用提供一种开发手段,它的批量生产必将推动我国卫星导航产业的发展,也将使我国的接收机制造产业进入高端产品领域。

[1]赵少松,董立桥.通用导航信号模拟器的设计与实现[C].第十一届全国遥感遥测遥控学术研讨会论文集,2008:192-194.

[2]李 隽.卫星导航信号模拟器体系结构分析[J].无线电工程,2006,36(8)30-39.

[3]李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2005.

[4]刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:科学出版社,2003:164-204.

[5]王 莉.区域卫星导航系统的星座设计与比较[J].飞行器测控学报,1999,18(4):1-8.