CN104459725A - 一种应用于北斗通信系统的卫星信号模拟发生器 - Google Patents

一种应用于北斗通信系统的卫星信号模拟发生器 Download PDF

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张琦
张帆
胡霄
操炜鼎
陈永良
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    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
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Abstract

本发明提供了一种应用于北斗通信系统的卫星信号模拟发生器，包括A/D、D/A、数据码生成模块、去直流模块、载波调制模块、RAM、信号输出能量控制模块、数字AGC和数字输入输出I/O，所述的数据码生成模块、去直流模块、载波调制模块、RAM和信号输出能量控制模块集成在FPGA中；产生北斗卫星信号的基带码并对其完成编码和载波调制及空间噪声信号的采样量化，用以将两者组合并模拟输出接收机在实际环境中接收到的卫星信号。本发明具有小型化、低成本、可配置且极易于应用的特点。

Description

一种应用于北斗通信系统的卫星信号模拟发生器
技术领域
本发明属于卫星通信领域，涉及一种应用于北斗卫导系统的性能测试平台，具体涉及一种基于FPGA设计开发的北斗信号模拟发生器。
背景技术
在卫导接收机性能测试中，通常需要比对在指定功率的卫星信号下，接收机接收到的载噪比、定位精度、误码率、抗干扰能力等性能指标并进行分析。
北斗卫星信号的能量很低，淹没在噪声内，接收机接收卫星信号通常使用卫星接收天线对天收星或者由模拟信号源产生。
天线对天收星的优点是接近实际环境，但信号容易受到遮蔽物、天气、时间等自然因素影响，指标可参照性差，追溯困难，接收环路较为复杂，且信号能量标定不准确。
模拟卫星信号源是卫导系统设计阶段常用的卫星信号发生设备，它输出包含完整的导航信息的信号；但信号源成本高，体积大，携带困难，受限其使用方式，不易于开发调试阶段的测试使用。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种小型化、低成本、可配置且极易于应用的卫星信号模拟方案，它包含有基本的卫星信号特征，接收机可对其行进捕获接收解算，且基于FPGA的可编写特性，开发者可根据实际应用添加各种功能模块。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括A/D、D/A、数据码生成模块、去直流模块、载波调制模块、RAM、信号输出能量控制模块、数字AGC和数字输入输出I/O。
所述的数据码生成模块、去直流模块、载波调制模块、RAM和信号输出能量控制模块集成在FPGA中；所述的A/D采样量化空间噪声，先经去直流模块去除A/D输出的直流分量，再经过带通滤波器形成具有设定带宽的噪声信号后分为两路，一路在载波调制模块与数据码混频完成对数据码的载波调制，另一路在信号输出能量控制模块与RAM预存的噪声系数相乘形成最终信号噪底；完成载波调制的数据码与最终信号噪底合路后，形成北斗模拟卫星信号，分为两路输出，一路直接通过数字I/O输出，另一路经数字AGC稳幅后，再经D/A以模拟信号形式输出；所述的数据码由数据码生成模块经插值滤波器扩频后形成。
所述的数据码生成模块包括一对多级反馈移位寄存器，多级反馈移位寄存器一的平移等价序列移位寄存器二与多级反馈移位寄存器一异或相加后得到输出金码；寄存器长度由不同卫星系统的码率决定，初始码相位和相位选择器的位置表示了该卫星系统不同的星号，由金码到数据码的扩频调制增益由系统时钟频率和数据码的位宽控制。
本发明的有益效果是：
1.主要功能通过FPGA内部器件实现，硬件需求低，便于开发。
2.整个信号发生器为包含A/D、D/A、数字输出端口等外围电路的FPGA开发板，易于工程实现，且成本低廉。
3.有数字、模拟等多种输出接口形式，可满足不同接收机系统的测试要求，减少了在硬件接口匹配上易出现的兼容性问题。
4.配置灵活，对于不同的信号捕获灵敏度，跟踪灵敏度，无需更换硬件，只需配置相应模块的噪声系数等设计参数。
5.工作状态稳定，基本不受外界干扰信号、软件状态等影响。
6.体积小，开发板约为20cm*20cm*5cm；低功耗，典型应用功耗不高于800mw，可携带，使用便利。
附图说明
图1是信号发生器内部信号基本流程框图。
图2是金码生成模块结构图。
图3是信号发生器测试板接口示意图。
图4是本发明在接收机抗窄带干扰测试中的使用环境。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明可以产生北斗卫星信号的基带码(金码)并对其完成编码和载波调制，及空间噪声信号的采样量化，用以将两者组合并模拟输出接收机在实际环境中接收到的卫星信号，接收机可对该信号进行载噪比解算等性能测试，以评估整个硬件系统的工作状态，插入损耗，捕获能力，抗干扰能力等性能指标。
本发明基于FPGA平台，主要功能通过其内部器件实现；发生器包括A/D1,D/A2,数据码生成模块3，去直流模块4，载波调制模块5，RAM6，信号输出能量控制模块7，数字AGC8,数字输入输出I/O9等；具体结构如下：
金码(C/A码)即伪随机码，它是一对二进制伪随机数序列，由一对二进制优选对生成，其电路实现方式是一对多级反馈移位寄存器；寄存器长度由不同卫星系统的码率(带宽)决定，初始码相位和相位选择器的位置表示了该卫星系统不同的星号，由金码到数据码的扩频调制增益由系统时钟频率和数据码的位宽控制，数据码经20M带通滤波后形成具有相应卫星频点带宽的基带信号送给下级模块。
图2为本发明金码生成模块的实现方式，它将移位寄存器一的平移等价序列移位寄存器二与一异或相加后得到输出金码。移位寄存器的特点是每时刻的输出为上一时刻的输入，平移等价序列是通过相位选择器实现的，相位选择器选择移位寄存器二的寄存单元3输出，并将该寄存单元与序列输出(寄存器1)异或相加。
噪声样本通过A/D采样量化得到，A/D输入端需接一级对应频段的低噪声放大器，噪声信号先经过去直流模块功率统计去除A/D采样带来的直流信号(该信号会影响AGC输出)，再经20M带通滤波器生成所需频段的噪底后分为两路信号，一路与数据码混频完成对数据码的中频载波调制。另一路噪声与一组预存的噪声系数相乘后，得到需要功率的噪声信号，并与载波信号组合形成最终输出的模拟卫星信号。
噪声系数存储在RAM内，长度由A/D位数决定，可利用FPGA的在线RAM控制模块或SPI等方式配置其数值，来控制最终信号输出载噪比的大小。模拟卫星信号根据输出接口需求的不同，可以直接在FPGA内部寄存输出给基带解算模块；数字AGC稳幅后输出数字接口信号；也可通过D/A转化为模拟中频频信号输出，连接至其他硬件接收处理。
本发明属于基带处理部分，模拟的是射频信号经下变频后的中频信号数字处理部分，北斗二B3系统工作时钟为62MHz，信号中心频率为15.48MHz，信号带宽为20MHz；数据码生成模块选用四级反馈移位寄存器，三倍扩频调制，初始相位选择设置为三号星。
如图1所示，A/D采样量化空间噪声，先经去直流模块去除A/D直流分量，再经过带通滤波器形成具有相应带宽的噪声信号后分为两路，一路与数据码混频完成对数据码的载波调制，数据码由金码产生模块经插值滤波器扩频后形成(具体方式如图3)，另一路与RAM预存的噪声系数相乘形成最终信号噪底，噪声系数控制噪底大小，即反应了载噪比大小；调制后的载波信号与噪底合路后，形成北斗模拟卫星信号，输出有两种形式，一种直接通过数字I/O输出，另一路经数字AGC稳幅后，再经D/A以模拟信号形式输出。
如测试连接图4所示，图中系统为北斗接收机系统抗窄带干扰能力的测试环境。FPGA型号采用CYCLONE公司的EP3C120，A/D位数为十位，D/A位数十六位；信号生成器A/D端接口采样由矢量信号源产生的带有干扰的噪声信号，送入FPGA内部，预设的噪声系数为“0100000000”，它与采样噪声的乘积表示了噪声信号的内部增益(一个有效位数代表6dB)，带有干扰的噪声信号与卫星信号组合输出带有干扰的模拟卫星信号，以数字连接线的形式连接至接收机板，北斗二代接收机模块对接收到的信号进行解算处理，并将解算数据通过串口上报至评估系统，通过串口调试助手比较不同干扰大小情况下接收到的载噪比信息，可以评估该接收机的抗干扰能力。

Claims (2)

1.一种应用于北斗通信系统的卫星信号模拟发生器，包括A/D、D/A、数据码生成模块、去直流模块、载波调制模块、RAM、信号输出能量控制模块、数字AGC和数字输入输出I/O，其特征在于：所述的数据码生成模块、去直流模块、载波调制模块、RAM和信号输出能量控制模块集成在FPGA中；所述的A/D采样量化空间噪声，先经去直流模块去除A/D输出的直流分量，再经过带通滤波器形成具有设定带宽的噪声信号后分为两路，一路在载波调制模块与数据码混频完成对数据码的载波调制，另一路在信号输出能量控制模块与RAM预存的噪声系数相乘形成最终信号噪底；完成载波调制的数据码与最终信号噪底合路后，形成北斗模拟卫星信号，分为两路输出，一路直接通过数字I/O输出，另一路经数字AGC稳幅后，再经D/A以模拟信号形式输出；所述的数据码由数据码生成模块经插值滤波器扩频后形成。
2.根据权利要求1所述的应用于北斗通信系统的卫星信号模拟发生器，其特征在于：所述的数据码生成模块包括一对多级反馈移位寄存器，多级反馈移位寄存器一的平移等价序列移位寄存器二与多级反馈移位寄存器一异或相加后得到输出金码；寄存器长度由不同卫星系统的码率决定，初始码相位和相位选择器的位置表示了该卫星系统不同的星号，由金码到数据码的扩频调制增益由系统时钟频率和数据码的位宽控制。
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