SDR在GNSS相关课程教学中的应用探索

2018-10-10 11:11张涛
数字技术与应用 2018年7期
关键词:差频接收机射频

摘要:GNSS课程教学中,信号相关的实验设备较为匮乏。本文通过以SDR设备作为核心,并结合其他射频部件,同时配合开发相应的软件,实现了一种多功能的GNSS射频信号实验平台,该平台具备GNSS信号录制与回放功能。借助于该平台,以往那些价格昂贵的GNSS射频信号录制与回放设备和模拟器也成为了通用的教学设备,学生可以自行操作并可以进一步开发扩展,使学生可以更深入地理解GNSS原理,方便验证算法,提高了学生动手能力,并做到学以致用。

关键词:GNSS课程;GNSS信号录制与回放设备;GNSS信号模拟器;软件无线电

中图分类号:P228.4 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2018)07-0050-03

随着我国北斗系统的发展以及各个行业对导航定位需求的提高,GNSS相关课程在测绘相关专业中的重要性日益凸现。而在这些课程的教学实验中,相关教学演示仪器却极为缺乏。例如,在GNSS 接收机原理课程中,由于GNSS接收机都是封闭结构,学生难以对其有深层接触[1];而在很多教学或者实验实习中,经常需要使用GNSS信号录制与回放设备对同一个GNSS信号进行多次回放,或者模拟特殊场景(例如高纬度、高动态、高加速度、高海拔等)以对不同接收机或者不同算法进行对比验证,而目前这类设备的价格都比较昂贵,数量很少,无法满足教学试验的要求。而通过对软件无线电平台(SDR)的开发利用,可以有效解决这些问题。SDR在最近几年发展十分迅速,市场上出现了多种架构、价格不同的SDR平台,许多科研单位都开始是用SDR平台进行研究。但是SDR平台仅仅提供了十分有限的基本功能,必须对其进行深度的开发才能符合教学科研的要求。本文结合教学实践,在以前的工作基础上[1],通过对几种SDR平台进行对比,探索出一种GNSS射频信号实验平台。该平台具有GNSS射频信号录制与回放功能,如再辅以相关软件,即可实现GNSS信号模拟器的功能,其成本低,结构简单, 经使用效果良好,满足教学实验要求,还适合科学研究、生产测试等应用。

1 原理与设计

目前的GNSS信号主要包括北斗(BDS)、GPS、GLONASS、伽里略(Galileo)、QZSS和IRNSS。目前,GPS系统的应用较广,而BDS系统的前景更加引人关注。目前在教学中,主要研究对象是GPS与BDS。因此本文描述的实验平台的基本功能是GPS和BDS信号的录制回放。

本文主要探讨的是GNSS信号的录制与回放,在能够完成信号录制与回放的基础上,只需要再开发相应的GNSS中频信号产生软件,即可实现GNSS信号的模拟功能。

民用GPS信号又包含L1,L2,L5三个频点,BDS的被动定位系统也包含B1,B2,B3三个频点。在这几个频点中,目前应用较广的主要是GPS的L1和L2与BDS的B1。因此本文的设计目的也就是对GPS L1/L2和BDS B1进行录制与回放。表1是这三个信号的中心频率、信号带宽、民用接收机通常的带宽。

可见,三个频段覆盖的带宽已经超过350MHz,而目前任何SDR平台都无法满足直接采样的需求。

在研究三个频段的关系后,可以知道这三个频段并非是连续的,其有效总带宽只有26MHz,中间的300多MHz实际上并不需要,因此所使用的SDR带宽需要大于26MHz。在综合考虑价格与性能后,选择BladeRF x40作为核心设备。同时提出了如下变频法压缩带宽的方法:

设本振频率为flo,L1,L2,B1的中心频率分别为fL1,fL2,fB1,且flo

和频:

f1=fL1+flo=1575.42+flo

f2=fL2+flo=1227.6+flo

f3=fB1+flo=1561.098+flo

差频:

f4=fL1-flo=1575.42-flo

f5=fL2-flo=1227.6-flo

f6=fB1-flo=1561.098-flo

只要选择合适的flo,就可以在以上产生的6个混频信号中,得到3个频率间距足够小的信号。为了缩短三个频点的间距,应选择一个和频f2即1227.6+flo和两个差频f4即1575.42-flo、f6即1561.098-flo。而此時的总带宽缩至:

f4-f2+1+10=358.82-2flo

上式中1和10分别为L1和L2的有效带宽的一半。

在回放的时候,再次将这三个频点(f2、f4、f6)的信号与flo混频,从而将信号还原。此时混频得到的信号也有6个:

和频:

f7=f2+flo=1227.6+flo+flo=1227.6+2flo

f8=f4+flo=1575.42-flo+flo=1575.42

f9=f6+flo=1561.098-flo+flo=1561.098

差频:

f10=f2-flo=1227.6+flo-flo=1227.6

f11=f4-flo=1575.42-flo-flo=1575.42-2flo

f12=f6-flo=1561.098-flo-flo=1561.098-2flo

可见,和频f8、f9与差频f10正是需要的fL1,fL2,fB1,此外还有三个多余的镜像信号。图2展示了当flo设置为160MHz的时候,原始信号(a)、混频采集后的信号(b)以及混频回放后的信号(c)之间的关系。在c中,实现为所需要的信号,点划线为镜像信号。

在通过变频,选择合适的和频与差频将有效带宽缩窄后,信号总带宽被缩窄到40Mhz以内,即可进行数据录制与回放。

本振频率选定后,即可选定相关器件搭建信号录制与回放设备硬件部分,再配合开发相应的软件即可完成GNSS信号录制与回放以及GNSS信号模拟功能。[2-3]

2 具体实现

图3是根据以上原理搭建的L1/L2/B1三频GNSS射频信号实验平台结构示意图。

平台由接收天线ANTRX,低噪声放大器LNA,射频开关RFSWITCH,混频器MIXER,本振Local OSC,滤波器FILTER,外部参考时钟EXT REF CLOCK,SDR平台SDR KIT,控制和存储电脑COMPUTER, I/O扩展器I/O EXT BOX,程控可调衰减器ATT,以及发射天线ANT TX构成。

控制和存储电脑上运行的程序非常重要,除了具备人机交互功能外,控制SDR平台的操作和I/O扩展器以实现不同的功能均由该程序完成。对于GNSS信号的录制与回放功能,实现起来相对简单。而对于GNSS信号模拟,需要首先读取星历,确定模拟的坐标和时间,判断可见卫星,并根据星历中的轨道数据反算可见卫星的位置、速度、多普勒、衰减等信息,同时生成导航电文,合成基带数据,最后由SDR发射出去。[4,5,6,8]

如果要避免信号回放的时候对其他设备造成干扰,则应采用电缆耦合的方式,不要将信号送至发射天线。

3 性能评估测试

为验证本GNSS射频信号实验平台的性能,用以下方法对设备进行基本测试:

(1)用功率分配器将GNSS接收天线接收来的真实GNSS信号分成两路,一路给GNSS接收机,另一路给本设备;(2)观察接收机的接收情况,同时打开接收机的数据记录功能,进行定位数据以及星座信息的记录;(3)则启动本设备进行数据采集,录制信号,并保持10分钟;(4)断开GNSS接收天线,冷启动GNSS接收机;(5)将本设备的输出接到GNSS接收机上,进行信号的回放,再次记录GNSS接收机的定位数据以及星座信息;(6)反复进行步骤5,对比结果。(7)停止回放,冷启动GNSS接收机;(8)设定好坐标和时间,用本平台生成GNSS射频信号;(9)观察GNSS接收机的捕获、跟踪、定位过程;(10)检查GNSS接收机所接收到的卫星信息以及定位信息、时间信息是否与步骤8中设定的一致。

图4的a与b分别为信号录制期间与回放期间接收机的PC端程序运行截图,运行的SDR平台是廉价的Hackrf。可以看出,录制后回放的信号在接收机上的表现,与原始信号相比,除了信号强度比原来的信号略有降低,并进一步导致CNR较低的卫星无法跟踪外,其余均可满足教学实验与一般测试要求。在这两个截图中,反映出的定位精度大约有10米差异,符合单点定位的精度水平。

4 结语

本文中设计的GNSS射频信号实验平台,具备成本低廉,结构简单,性能稳定的特点,其成本几乎仅仅是市场常见设备的1/50到1/100,可以满足教学实验、接收机研发与生产、算法验证等多种场合的需求,而且平台基于SDR,其软硬件都比较透明,学生可以自主进行功能扩展,在整个设备的研制中,有多名学生参与进行软件与硬件的设计与制作,促进了学生对理论的理解,也提高了实践能力。由于试验平台仍然处于不断的改进过程中,因此也存在一些问题,例如,采集的数据文件比较大,这样对存储系统的要求就会过于苛刻,容易造成信号不连续。由于GNSS信号实际上并不需要如此宽的位宽进行采集存储,太宽的位宽提高了成本和资源消耗,而对于性能的提高有限[7],因此,将来拟对数据进行预处理,通过减小位宽来减少数据量,这样一来,将更有助于降低成本,提高实用性。

参考文献

[1]张涛,花向红,黄劲松,郑屹.基于SDR的GNSS接收機原理可视化教学平台[J].测绘地理信息,2012,37(06):14-16.

[2]王金刚.GPS数字中频信号仿真及捕获验证[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2010,22(02):252-256.

[3]胡修林,唐祖平,周鸿伟,黄旭方.GPS和Galileo信号体制设计思想综述[J].系统工程与电子技术,2009,31(10):2285-2293.

[4]单庆晓,陈建云,钟小鹏,杨俊.基于数据文件读取的GPS信号模拟技术[J].电子测量与仪器学报,2009,23(05):79-84.

[5]赵昀,张其善,寇艳红.基于Matlab的数字中频GPS信号生成模型[J].信号处理,2005,(03):300-303+248.

[6]赵军祥,张其善,常青,李建辉.高动态GPS卫星信号模拟器关键技术分析及应用[J].电讯技术,2003,(04):49-54.

[7]谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京:电子工业出版社,2009.

[8]张涛. GNSS信号录制与回放设备的研制与应用[J].全球定位系统,2018,43(3),45-50.

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