CN103792552B - 一种卫星导航基带信号生成系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星导航基带信号生成系统及方法，其包括控制主机、接口模块、载波生成模块、副载波生成模块、码生成模块、电文移动控制模块、扩频调制模块、ALTBOC调制模块以及混频模块。此系统在模拟ALTBOC信号时不受滤波器带宽限制，并且对硬件生成时的采样率和工作时钟要求不高，实现时不受器件资源的限制，频谱利用率提高，应用更广泛。

Description

一种卫星导航基带信号生成系统及方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种卫星导航基带信号生成系统及方法。
背景技术
GNSS卫星信号模拟对于GNSS系统及用户接收机的研究和设计起着非常重要的作用。它可以产生多种条件下的信号，为GNSS系统级仿真试验和接收机的测试提供一种高效的工具。
随着新一代导航系统-欧洲伽利略卫星导航系统的建设和美国GPS现代化研究的进展，新型的卫星导航信号结构成为关注的热点。尤其是新型的调制方式－BOC调制(BinaryOffsetCarrier)有利于降低信号间的互相干扰，改善定位性能，成为新的GPS-M码和伽利略导航系统的主要选择。而在伽利略频段中，E5频段是一个重要的信号频段，涵盖了开放服务，商业服务和生命安全服务等多项导航服务的数据。
伽利略E5信号采用ALTBOC调制方式，具有一般BOC信号的所有优点，如频谱分离、抗干扰能力强、测距精度高，同时又不像BOC信号一样两个主瓣传输相同的信息，可令一个主瓣边带传输一路信号，对频谱利用率更高，因此ALTBOC信号的模拟对于新的导航信号结构的研究和新一代接收机的研制具有极其重要的意义。
但由于带宽过宽，在ALTBOC信号的模拟时受滤波器带宽限制较大，并且对硬件生成时的采样率和工作时钟提出了很高的要求，实现时受器件资源限制比较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种卫星导航基带信号生成系统及方法，以解决现有技术中由于器件资源受限从而无法实现模拟带宽过宽的伽利略E5信号ALTBOC的技术问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种卫星导航基带信号生成系统，其包括控制主机、接口模块、载波生成模块、副载波生成模块、码生成模块、电文移动控制模块、扩频调制模块、ALTBOC调制模块以及混频模块，其中：所述控制主机通过所述接口模块与所述载波生成模块、副载波生成模块、码生成模块、以及电文移动控制模块的输入端均电连接；所述电文移动控制模块与码生成模块的输出端并接于所述扩频调制模块的输入端，所述扩频调制模块的输出端与副载波生成模块的输出端并接于所述ALTBOC调制模块的输入端，所述ALTBOC调制模块的输出端与载波生成模块的输出端并接于混频模块的输入端；所述控制主机，用于发出仿真信号和电文，以及控制整个仿真系统的工作流程；所述载波生成模块，用于接收和处理所述接口模块传输的仿真信号，得到载波的正余弦值和幅度值；所述副载波生成模块，用于接收和处理所述接口模块传输的仿真信号，得到副载波的幅度值；所述码生成模块，用于接收和处理所述接口模块传输的仿真信号，得到码片值和码周期进位信号；所述电文移动控制模块，用于同时接收所述接口模块传输的电文内容和所述码生成模块输出的所述码周期进位信号，并用所述码周期进位信号控制所述电文的移位；所述扩频调制模块，用于同时接收所述码生成模块输出的码片值和所述电文移动控制模块输出的电文，并对所述码片值和所述电文进行BPSK调制，最后输出扩频后的数据；所述ALTBOC调制模块，用于同时接收和处理所述扩频调制模块输出的扩频数据和所述副载波生成模块输出的幅载波的幅度值，并输出扩频后的量化值；所述混频模块，用于同时接收和处理所述ALTBOC调制模块输出的扩频后的量化值和所述载波生成模块输出的正余弦值，得到基带数据并输出；
所述卫星导航基带信号为伽利略E5信号。
相应地，本发明还提供了一种卫星导航基带信号生成方法，其包括如下步骤：步骤S10：控制主机通过接口模块输出仿真信号和电文，同时控制整个仿真系统的工作流程；步骤S20：载波生成模块接收和处理所述接口模块传输的仿真信号，得到载波的正余弦值和幅度值；步骤S30：副载波生成模块接收和处理所述接口模块传输的仿真信号，得到副载波的幅度值；步骤S40：码生成模块接收和处理所述接口模块传输的仿真信号，得到码片值和码周期进位信号；步骤S50：电文移动控制模块同时接收所述接口模块传输的电文内容和所述码生成模块输出的码周期进位信号，采用所述码周期进位信号控制所述电文的移位；步骤S60：扩频调制模块同时接收所述码生成模块输出的码片值和所述电文移动控制模块输出的电文，并对所述码片值和所述电文进行BPSK调制，最后输出扩频后的数据；步骤S70：ALTBOC调制模块同时接收和处理所述扩频调制模块输出的扩频数据和所述副载波生成模块输出的幅载波的幅度值，并输出扩频后的量化值；步骤S80：混频模块同时接收和处理所述ALTBOC调制模块输出的扩频后的量化值和所述载波生成模块输出的正余弦值，得到基带数据并输出；所述卫星导航基带信号为伽利略E5信号。
与现有技术相比，本发明实施例的优点在于：此系统在模拟ALTBOC信号时不受滤波器带宽限制，并且对硬件生成时的采样率和工作时钟要求不高，实现时不受器件资源的限制，频谱利用率提高，应用更广泛。
附图说明
图1为本发明实施例提供的卫星导航基带信号生成系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的卫星导航基带信号生成方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的卫星导航基带信号生成方法的步骤70中的ALTBOC相位查找表举例示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
参见图1，本发明实施例提供了一种卫星导航基带信号生成系统，其包括控制主机1、接口模块2、载波生成模块3、副载波生成模块4、码生成模块5、电文移动控制模块6、扩频调制模块7、ALTBOC调制模块8以及混频模块9，其中：控制主机1通过接口模块2与载波生成模块3、副载波生成模块4、码生成模块5、以及电文移动控制模块6的输入端均电连接；电文移动控制模块6与码生成模块5的输出端并接于扩频调制模块7的输入端，扩频调制模块7的输出端与副载波生成模块4的输出端并接于ALTBOC调制模块8的输入端，ALTBOC调制模块8的输出端与载波生成模块3的输出端并接于混频模块9的输入端。
需要说明的是：在本发明实施例中，控制主机1，用于发出仿真信号和电文，以及控制整个仿真系统的工作流程；载波生成模块3，用于接收和处理接口模块2传输的仿真信号，得到载波的正余弦值和幅度值；载波生成模块3，用于接收和处理接口模块2传输的仿真信号，得到载波的正余弦值和幅度值；码生成模块5，用于接收和处理接口模块2传输的仿真信号，得到码片值和码周期进位信号；电文移动控制模块6，用于同时接收接口模块2传输的电文内容和码生成模块5输出的码周期进位信号，并用码周期进位信号控制电文的移位；扩频调制模块7，用于同时接收码生成模块5输出的码片值和电文移动控制模块6输出的电文，并对码片值和电文进行BPSK调制，最后输出扩频后的数据；ALTBOC调制模块8，用于同时接收和处理扩频调制模块7输出的扩频数据和副载波生成模块4输出的幅载波的幅度值，并输出扩频后的量化值；混频模块9，用于同时接收和处理ALTBOC调制模块8输出的扩频后的量化值和载波生成模块3输出的正余弦值，得到基带数据并输出。
本发明的卫星导航基带信号生成系统，其包括控制主机1、接口模块2、载波生成模块3、副载波生成模块4、码生成模块5、电文移动控制模块6、扩频调制模块7、ALTBOC调制模块8以及混频模块9，此系统在ALTBOC信号的模拟不受滤波器带宽限制，并且对硬件生成时的采样率和工作时钟要求不高，实现时不受器件资源的限制。
本发明实施例在硬件FPGA中用载波NCO模拟高动态载波多普勒，用码NCO实现高精度的伪码相位控制,为便于对本发明实施例的理解，下面结合图一及具体实施例做进一步的解释说明伽利略E5ALTBOC基带信号生成系统。
较佳地，控制主机1包括数学仿真模块和控制模块，其中：数学仿真模块可以仿真空间环境参数、相对论效应对用户观测量的影响，以及载体旋转带来的信号多普勒、载波相位和信号功率强度的变化；控制模块，用于控制仿真系统的整个仿真系统的工作流程。
较佳地，采用载波NCO模拟高动态载波多普勒，采用码NCO实现高精度的伪码相位控制，其中：载波生成模块3接收接口模块2传输的信号包括伪距、伪距速度、伪距加速度、伪距加加速度；副载波生成模块4接收接口模块2传输的信号包括伪距、伪距速度、伪距加速度、伪距加加速度；码生成模块5接收接口模块2传输的信号包括伪距、伪距速度、伪距加速度、伪距加加速度。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种卫星导航基带信号生成方法，由于此方法解决问题的原理与前述一种卫星导航基带信号生成系统功能相似，因此该方法的实施可以通过前述系统功能模块实现，重复之处不再赘述。
参见图2，本发明提供的一种卫星导航基带信号生成方法，包括如下步骤：
步骤S10：控制主机1通过接口模块2输出仿真信号和电文，同时控制整个仿真系统的工作流程；
步骤S20：载波生成模块3接收和处理接口模块2传输的仿真信号，得到载波的正余弦值和幅度值；
较佳地，步骤S20包括步骤S21、步骤S22和步骤S23，其中：步骤S21：在载波生成模块3FPGA的ROM中存储正余弦查找表；步骤S22：接口模块2传输的仿真信号包括伪距、伪距速度、伪距加速度、伪距加加速度，根据仿真信号算出载波NCO的累加字和初始相位；步骤S23：根据累加字和初始相位每个时钟周期对载波NCO进行累加，根据载波NCO的累加结果得到正余弦查找表的索引地址，根据索引值得到载波的幅度值。
步骤S30：副载波生成模块4接收和处理接口模块2传输的仿真信号，得到副载波的幅度值；
较佳地，步骤S30包括步骤S31、步骤S32和步骤S33，其中：步骤S31：在副载波生成模块4FPGA的ROM中存储副载波查找表；步骤S32：接口模块2传输的仿真信号包括伪距、伪距速度、伪距加速度、伪距加加速度，根据仿真信号算出副载波NCO的累加字和初始相位；步骤S33：根据累加字和初始相位每个时钟周期对副载波NCO进行累加，根据副载波NCO的累加结果得到副载波查找表的索引地址，根据索引值得到副载波的幅度值。
步骤S40：码生成模块5接收和处理接口模块2传输的仿真信号，得到码片值和码周期进位信号；
较佳地，步骤S40包括步骤S41、步骤S42和步骤S43，其中：步骤S41：根据伽利略ICD文件的对码生成的描述，生成E5A_I、E5A_Q、E5B_I、E5B_Q共四路主码，将这四路主码存储在硬件FPGA的ROM中；步骤S42：根据接口模块2送过来的伪距、伪距速度、伪距加速度、伪距加加速度算出码NCO的累加字和初始相位；步骤S43：根据累加字和初始相位每个时钟对码NCO进行累加，根据累加结果得到码表的索引地址，根据索引值得到四路主码值，根据主码片周期进位信号推动移位寄存器移位的方式得到次码；步骤S44：主码和次码异或的结果生成码片值，最后码生成模块5输出E5A_I、E5A_Q、E5B_I、E5B_Q共四路码，并同时给电文移动控制模块6输出码周期进位信号。
步骤S50：电文移动控制模块6同时接收接口模块2传输的电文内容和码生成模块5输出的码周期进位信号，采用码周期进位信号控制电文的移位；
较佳地，步骤S50包括步骤S51和步骤S52，其中：步骤S51：根据伽利略ICD文件中对电文生成的定义生成电文内容；步骤S52：根据码生成模块5的码周期进位信号控制电文的移位，并输出E5A和E5B的数据通道共二路电文。
步骤S60：扩频调制模块7同时接收码生成模块5输出的码片值和电文移动控制模块6输出的电文，并对码片值和电文进行BPSK调制，最后输出扩频后的数据；
步骤S70：ALTBOC调制模块8同时接收和处理扩频调制模块7输出的扩频数据和副载波生成模块4输出的幅载波的幅度值，并输出扩频后的量化值；
较佳地，步骤S70包括步骤S71和步骤S72，其中：步骤S71：参见图3，制作ALTBOC相位查找表，并存储于ALTBOC调制模块8FPGA的ROM中；步骤S72：以E5A_I、E5A_Q、E5B_I、E5B_Q共四路码的结果及幅载波的幅度值作为查找表的索引地址，获得一个幅载波周期内对应的8个采样点所对应处的象限，根据象限值按16BIT量化，得到扩频后I路和Q路的量化值。
步骤S80：混频模块9同时接收和处理ALTBOC调制模块8输出的扩频后的量化值和载波生成模块3输出的正余弦值，得到基带数据并输出。
较佳地，步骤S80包括步骤S81：正余弦值和扩频后I路和Q路的量化值进行复数乘法操作，得出I路和Q路的基带数据并输出。
需要说明的是，伽利略E5信号采用ALTBOC调制，就基本概念而言，ALTBOC调制与BOC调制非常相似。其最大的不同在于AltBOC调制信号的频谱上下主瓣携带了不同的信息。当载波上的数据再以同相(I路)、正交(Q路)两支路组合时，使用ALTBOC调制可以在同一载波上将四种不同的扩频码信号进行复合。由现有的伽利略ICD文件可以看出，在实现方式上，它引入乘积项，并把副载波调整为四值形式，将非恒包络的信号转为类似8-PSK的恒包络信号。
本发明的一种卫星导航基带信号生成系统及方法，其包括控制主机1、接口模块2、载波生成模块3、副载波生成模块4、码生成模块5、电文移动控制模块6、扩频调制模块7、ALTBOC调制模块8以及混频模块9，此系统在模拟ALTBOC信号时不受滤波器带宽限制，并且对硬件生成时的采样率和工作时钟要求不高，实现时不受器件资源的限制，频谱利用率提高，应用更广泛。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卫星导航基带信号生成系统，其特征在于，包括控制主机(1)、接口模块(2)、载波生成模块(3)、副载波生成模块(4)、码生成模块(5)、电文移动控制模块(6)、扩频调制模块(7)、ALTBOC调制模块(8)以及混频模块(9)，其中：
所述控制主机(1)通过所述接口模块(2)与所述载波生成模块(3)、副载波生成模块(4)、码生成模块(5)、以及电文移动控制模块(6)的输入端均电连接；所述电文移动控制模块(6)与码生成模块(5)的输出端并接于所述扩频调制模块(7)的输入端，所述扩频调制模块(7)的输出端与副载波生成模块(4)的输出端并接于所述ALTBOC调制模块(8)的输入端，所述ALTBOC调制模块(8)的输出端与载波生成模块(3)的输出端并接于混频模块(9)的输入端；
所述控制主机(1)，用于发出仿真信号和电文，以及控制整个仿真系统的工作流程；
所述载波生成模块(3)，用于接收和处理所述接口模块(2)传输的仿真信号，得到载波的正余弦值和幅度值；
所述副载波生成模块(4)，用于接收和处理所述接口模块(2)传输的仿真信号，得到副载波的幅度值；
所述码生成模块(5)，用于接收和处理所述接口模块(2)传输的仿真信号，得到码片值和码周期进位信号；
所述电文移动控制模块(6)，用于同时接收所述接口模块(2)传输的电文内容和所述码生成模块(5)输出的所述码周期进位信号，并用所述码周期进位信号控制所述电文的移位；
所述扩频调制模块(7)，用于同时接收所述码生成模块(5)输出的码片值和所述电文移动控制模块(6)输出的电文，并对所述码片值和所述电文进行BPSK调制，最后输出扩频后的数据；
所述ALTBOC调制模块(8)，用于同时接收和处理所述扩频调制模块(7)输出的扩频数据和所述副载波生成模块(4)输出的幅载波的幅度值，并输出扩频后的量化值；
所述混频模块(9)，用于同时接收和处理所述ALTBOC调制模块(8)输出的扩频后的量化值和所述载波生成模块(3)输出的正余弦值，得到基带数据并输出；
所述卫星导航基带信号为伽利略E5信号。
2.如权利要求1所述的卫星导航基带信号生成系统，其特征在于，所述控制主机(1)包括数学仿真模块和控制模块，其中：
所述数学仿真模块，用于仿真空间环境参数、相对论效应对用户观测量的影响，以及载体旋转带来的信号多普勒、载波相位和信号功率强度的变化；
所述控制模块，用于控制仿真系统的整个仿真系统的工作流程。
3.如权利要求2所述的卫星导航基带信号生成系统，其特征在于，采用载波NCO模拟高动态载波多普勒，采用码NCO实现高精度的伪码相位控制，其中：
所述载波生成模块(3)接收所述接口模块(2)传输的信号包括伪距、伪距速度、伪距加速度、伪距加加速度；
所述副载波生成模块(4)接收所述接口模块(2)传输的信号包括伪距、伪距速度、伪距加速度、伪距加加速度；
所述码生成模块(5)接收所述接口模块(2)传输的信号包括伪距、伪距速度、伪距加速度、伪距加加速度。
4.一种卫星导航基带信号生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S10：控制主机(1)通过接口模块(2)输出仿真信号和电文，同时控制整个仿真系统的工作流程；
步骤S20：载波生成模块(3)接收和处理所述接口模块(2)传输的仿真信号，得到载波的正余弦值和幅度值；
步骤S30：副载波生成模块(4)接收和处理所述接口模块(2)传输的仿真信号，得到副载波的幅度值；
步骤S40：码生成模块(5)接收和处理所述接口模块(2)传输的仿真信号，得到码片值和码周期进位信号；
步骤S50：电文移动控制模块(6)同时接收所述接口模块(2)传输的电文内容和所述码生成模块(5)输出的码周期进位信号，采用所述码周期进位信号控制所述电文的移位；
步骤S60：扩频调制模块(7)同时接收所述码生成模块(5)输出的码片值和所述电文移动控制模块(6)输出的电文，并对所述码片值和所述电文进行BPSK调制，最后输出扩频后的数据；
步骤S70：ALTBOC调制模块(8)同时接收和处理所述扩频调制模块(7)输出的扩频数据和所述副载波生成模块(4)输出的幅载波的幅度值，并输出扩频后的量化值；
步骤S80：混频模块(9)同时接收和处理所述ALTBOC调制模块(8)输出的扩频后的量化值和所述载波生成模块(3)输出的正余弦值，得到基带数据并输出；
所述卫星导航基带信号为伽利略E5信号。
5.如权利要求4所述的卫星导航基带信号生成方法，其特征在于，所述步骤S20包括步骤S21、步骤S22和步骤S23，其中：
所述步骤S21：在所述载波生成模块(3)FPGA的ROM中存储正余弦查找表；
所述步骤S22：所述接口模块(2)传输的仿真信号包括伪距、伪距速度、伪距加速度、伪距加加速度，根据所述仿真信号算出载波NCO的累加字和初始相位；
所述步骤S23：根据累加字和初始相位每个时钟周期对所述载波NCO进行累加，根据所述载波NCO的累加结果得到正余弦查找表的索引地址，根据索引值得到载波的幅度值。
6.如权利要求5所述的卫星导航基带信号生成方法，其特征在于，所述步骤S30包括步骤S31、步骤S32和步骤S33，其中：
所述步骤S31：在所述副载波生成模块(4)FPGA的ROM中存储副载波查找表；
所述步骤S32：所述接口模块(2)传输的仿真信号包括伪距、伪距速度、伪距加速度、伪距加加速度，根据所述仿真信号算出副载波NCO的累加字和初始相位；
所述步骤S33：根据累加字和初始相位每个时钟周期对所述副载波NCO进行累加，根据所述副载波NCO的累加结果得到所述副载波查找表的索引地址，根据索引值得到副载波的幅度值。
7.如权利要求4所述的卫星导航基带信号生成方法，其特征在于，所述步骤S40包括步骤S41、步骤S42和步骤S43，其中：
所述步骤S41：根据伽利略ICD文件的对码生成的描述，生成E5A_I、E5A_Q、E5B_I、E5B_Q共四路主码，将这四路主码存储在硬件FPGA的ROM中；
所述步骤S42：根据所述接口模块(2)送过来的伪距、伪距速度、伪距加速度、伪距加加速度算出码NCO的累加字和初始相位；
所述步骤S43：根据累加字和初始相位每个时钟对所述码NCO进行累加，根据累加结果得到码表的索引地址，根据索引值得到四路主码值，根据主码片周期进位信号推动移位寄存器移位的方式得到次码；
所述步骤S44：所述主码和次码异或的结果生成码片值，最后所述码生成模块(5)输出E5A_I、E5A_Q、E5B_I、E5B_Q共四路码，并同时给所述电文移动控制模块(6)输出码周期进位信号。
8.如权利要求7所述的卫星导航基带信号生成方法，其特征在于，所述步骤S50包括步骤S51和步骤S52，其中：
所述步骤S51：根据伽利略ICD文件中对电文生成的定义生成电文内容；
所述步骤S52：根据所述码生成模块(5)的码周期进位信号控制电文的移位，并输出E5A和E5B的数据通道共二路电文。
9.如权利要求8所述的卫星导航基带信号生成方法，其特征在于，所述步骤S70包括步骤S71和步骤S72，其中：
所述步骤S71：制作ALTBOC相位查找表，并存储于所述ALTBOC调制模块(8)FPGA的ROM中；
所述步骤S72：以E5A_I、E5A_Q、E5B_I、E5B_Q共四路码的结果及幅载波的幅度值作为查找表的索引地址，获得一个幅载波周期内对应的8个采样点所对应处的象限，根据象限值按16BIT量化，得到扩频后I路和Q路的量化值。
10.如权利要求9所述的卫星导航基带信号生成方法，其特征在于，所述步骤S80包括步骤S81：
所述步骤S81：所述正余弦值和所述扩频后I路和Q路的量化值进行复数乘法操作，得出I路和Q路的基带数据并输出。
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