CN107202998B - 一种电力线通信的实时卫星信号模拟器及模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种电力线通信的实时卫星信号模拟器及模拟方法，模拟器包括接收模块、网络传输模块、宽带载波调制模块、宽带载波解调模块、网络接收模块、解调调制模块、射频模块和发射模块；接收模块接收室外的卫星信号，经过处理后成为数字中频信号，通过网络传输模块将信号高速传送给宽带载波调制模块进行数据调制，然后通过电力线将信号传送给宽带载波解调模块，解调后通过网络接收模块将信号传送给解调调制模块对卫星信号进行解调、解扩、扩频和调制后转化为模拟中频信号，然后通过射频模块上变频为射频信号，最后通过发射模块将信号发送给被测接收机使用，实现将卫星信号由室外转入室内，并提高信号的信噪比，使其经过抗干扰处理后依然能被接收机捕获。

Description

一种电力线通信的实时卫星信号模拟器及模拟方法

技术领域

本发明涉及一种电力线通信的实时卫星信号模拟器及模拟方法,属于卫星导航技术领域。

背景技术

卫星信号转发站已经广泛应用，但是在抗干扰接收机测试时，由于转发站输出的信号比较强，经常会被当作干扰抑制掉，从而导致无法正常收星。而且，转发站室内和室外数据通信是通过射频电缆连接，射频电缆存在价格高、重量重、铺设困难等缺点，尤其是传输距离比较远的情况。因此，采用什么措施转发卫星信号，实现远距离传输，以及应对抗干扰接收机测试的场景，是卫星信号模拟器的重要功能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种电力线通信的实时卫星信号模拟器及模拟方法,能够实现将室外卫星信号转入室内，尤其是实现长距离实时转发。而且面对抗干扰接收机测试时，转发的卫星信号能够使接收机正常定位，而不是被当作干扰抑制掉。

本发明的技术解决方案是：

一种电力线通信的实时卫星信号模拟器，包括：室外信号处理模块、室内信号处理模块以及连接室外信号处理模块和室内信号处理模块的电力线；

室外信号处理模块接收卫星信号并进行处理，处理后的信号通过电力线传输给室内信号处理模块，室内信号处理模块生成卫星信号并提供给待测接收机。

所述室外信号处理模块包括接收模块、宽带载波调制模块和网络传输模块；

放置在室外的接收模块将接收到的卫星信号转换成数字中频信号并提供给网络传输模块，网络传输模块将所述数字中频信号转换成网络信号，最后通过宽带载波调制模块进行信号调制，并通过电力线输出。

所述接收模块包括放大模块、第一滤波模块、下变频模块、第二滤波模块、模数转换模块、数据缓存模块和数据组包模块；

接收模块接收到的卫星信号先通过放大模块和第一滤波模块进行放大滤波，再通过下变频模块将放大滤波后的卫星信号转换成模拟中频信号，第二滤波模块对所述模拟中频信号进行滤波，再通过模数转换模块转换成数字中频信号，数据缓存模块将输入到其中的数字中频信号进行并行到串行的转换，以降低数据率，生成的串行数字中频信号通过数据组包模块进行组包处理后输出。

数据缓存模块和数据组包模块通过FPGA实现。

所述网络传输模块包括组帧模块和转换模块，接收模块输出的数字中频信号先通过组帧模块进行组帧，生成的数据帧通过转换模块转换为网络信号，并通过网线传输给宽带载波调制模块。

组帧模块通过FPGA实现。

卫星信号为模拟射频信号，包括GPS、GLONASS和北斗三个卫星导航系统的卫星信号。

室内信号处理模块包括宽带载波解调模块、网络接收模块、解调调制模块、射频模块和发射模块；

室外信号处理模块通过电力线输出的信号先通过宽带载波解调模块进行解调，生成网络信号并通过网线传输给网络接收模块，网络接收模块处理后生成数字中频信号并提供给解调调制模块，解调调制模块对数字中频信号进行解调调制处理，提高信噪比，生成的模拟中频信号经过射频模块进行上变频和滤波之后，最终通过发射模块输出射频信号给待测接收机。

所述网络接收模块包括逆转换模块和解帧模块，网络信号先通过逆转换模块转换为数据帧，再通过解帧模块转换为数字中频信号。

所述解调调制模块数据解包模块、数据提取模块、通道分配模块、捕获跟踪模块、解调模块、调制模块、功率综合模块以及数模转换模块；

网络接收模块输出的数字中频信号先通过数据解包模块进行解包处理，生成串行的数字中频信号，然后通过数据提取模块将串行的数字中频信号根据卫星导航系统类别进行数据提取，将提取后的数据通过通道分配模块进行通道分配，各个通道根据捕获参数通过捕获跟踪模块进行捕获和跟踪，根据跟踪结果通过解调模块对数字中频信号进行解调处理，生成基带信号，对解调后的基带信号通过调制模块进行再次调制，生成数字中频信号，功率综合模块根据各通道的跟踪状态对数字中频信号进行功率合成，合成后的数字中频信号通过数模转换模块转换为模拟中频信号并输出给射频模块。

连接室外信号处理模块和室内信号处理模块的电力线的长度最长可达200m。

一种卫星信号模拟方法，步骤如下：

(1)对卫星信号进行放大滤波，再转换成模拟中频信号，对所述模拟中频信号进行滤波，再转换成数字中频信号，对所述数字中频信号进行并行到串行的转换，以降低数据率，生成的串行数字中频信号进行组包处理后输出；

(2)对步骤(1)组包处理后的输出信号进行组帧，将生成的数据帧转转换为网络信号，并通过网线输出；

(3)对于步骤(2)中网线输出的信号，进行OFDM调制，之后通过电力线输出；

(4)对步骤(3)中电力线输出的信号进行解调，生成网络信号；

(5)将步骤(4)中生成的网络信号转换为数字中频信号，并进行解调调制处理，以提高信噪比；

(6)对经过解调调制生成的模拟中频信号进行上变频和滤波之后，最终输出射频信号给待测接收机，从而完成卫星信号的模拟。

所述步骤(5)进行解调调制处理，具体为：

对数字中频信号先进行解包处理，生成串行的数字中频信号，然后将串行的数字中频信号根据卫星导航系统类别进行数据提取，将提取后的数据进行通道分配，各个通道根据捕获参数通过捕获跟踪模块进行捕获和跟踪，根据跟踪结果对数字中频信号进行解调处理，生成基带信号，对解调后的基带信号进行再次调制，生成数字中频信号，根据各通道的跟踪状态对数字中频信号进行功率合成，合成后的数字中频信号转换为模拟中频信号并输出。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)高信噪比。被抗干扰抑制后，信号强度依然高于噪底，能够被抗干扰接收机正常接收和定位；

(2)实时转发卫星信号。通过高速数据传输以及解调、解扩、扩频和调制处理，将室外的卫星信号实时传入室内，供室内卫星导航接收机接收使用；

(3)远距离传输。传输距离范围0～200m，实现了远距离传输；

(4)电力线轻便、柔软，易于铺设。传统卫星信号转发站使用射频电缆进行远距离传输，为了降低损耗，射频电缆会又粗又重，且硬度较高，铺设困难。而模拟器采用电力线传输的是数字量，不用担心信号衰减的问题，且又实现了信号高速传输，同时电力线轻便、柔软，易于搬运和铺设。

附图说明

图1为本发明系统架构示意图；

图2为卫星信号强度示意图，其中，图2(a)为室外卫星信号强度示意图，图2(b)为模拟器转发后卫星信号强度示意图，图2(c)为抗干扰抑制后卫星信号强度示意图；

图3为本发明接收模块结构图；

图4为本发明解调与调制模块结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明采用正交频分复用的电力线调制技术，利用电力线替代射频电缆，完成信息远距离传输，实现卫星信号由室外转发进入室内。此外，利用将信号解扩、解调后，再重新进行扩频和调制的再生技术。

如图1所示，本发明提出了一种电力线通信的实时卫星信号模拟器，包括：室外信号处理模块、室内信号处理模块以及连接室外信号处理模块和室内信号处理模块的电力线；

室外信号处理模块接收卫星信号并进行处理，处理后的信号通过电力线传输给室内信号处理模块，室内信号处理模块生成卫星信号并提供给待测接收机。

如图1所示，室外信号处理模块包括接收模块、宽带载波调制模块和网络传输模块；

放置在室外的接收模块将接收到的卫星信号转换成数字中频信号并提供给网络传输模块，网络传输模块将所述数字中频信号转换成网络信号，最后通过宽带载波调制模块进行信号调制，并通过电力线输出。

接收模块模数转换后的数据是三个卫星导航系统的信号，而且是并行的数据，直接传输会导致数据率太高，需要将并行的中频信号转为串行的中频信号，降低数据率。此外，由于中频信号数据量大，且要实时转发信号，传输过程不能丢失数据，如果丢失数据，会导致被测接收机定位异常。这就要求通过网络模块将中频信号转换为网络信号，使用千兆网将网络信号传入宽带载波调制解调模块。高速的网络信号传输确保了中频数据被及时传输，不会被覆盖，导致数据丢失。宽带载波调制模块是采用正交频分复用

(OFDM)技术，把高速数据流分散到许多正交的子载波上传输，从而使得子载波上的符号速率大幅度降低，其允许子载波频谱部分重叠，大大提高了频谱效率。

接收模块包括放大模块、第一滤波模块、下变频模块、第二滤波模块、模数转换模块、数据缓存模块和数据组包模块；

如图3所示，接收模块接收到的卫星信号先通过放大模块和第一滤波模块进行放大滤波，再通过下变频模块将放大滤波后的卫星信号转换成模拟中频信号，第二滤波模块对所述模拟中频信号进行滤波，再通过模数转换模块转换成数字中频信号，数据缓存模块将输入到其中的数字中频信号进行并行到串行的转换，以降低数据率，生成的串行数字中频信号通过数据组包模块进行组包处理后输出。

数据缓存模块和数据组包模块通过FPGA实现，组帧模块通过FPGA实现。

网络传输模块包括组帧模块和转换模块，接收模块输出的数字中频信号先发送给组帧模块，按照AXI4协议给到MAC层，MAC层对数据进行组帧，生成的数据帧通过转换模块转换为网络信号，并通过网线传输给宽带载波调制模块。

卫星信号为模拟射频信号，包括GPS、GLONASS和北斗三个卫星导航系统的卫星信号。

如图1所示，室内信号处理模块包括宽带载波解调模块、网络接收模块、解调调制模块、射频模块和发射模块；

室外信号处理模块通过电力线输出的信号先通过宽带载波解调模块进行解调，生成网络信号并通过网线传输给网络接收模块，网络接收模块处理后生成数字中频信号并提供给解调调制模块，解调调制模块对数字中频信号进行解调调制处理，提高信噪比，生成的模拟中频信号经过射频模块进行上变频和滤波，并进行功率放大之后，最终通过发射模块输出射频信号给待测接收机，实现了卫星信号由室外输出到室内，以供室内的导航接收机使用。

网络接收模块包括逆转换模块和解帧模块，网络信号先通过逆转换模块转换为数据帧，再通过解帧模块转换为数字中频信号。

解调调制模块是核心模块，需要对中频信号进行解调、解扩、位同步和帧同步，得到基带信号，所述基带信号为卫星的数据码。得到数据码后，再根据不同卫星导航系统的类别选择扩频码，对其进行扩频和载波调制，生成中频信号。在进行载波调制的时候，要考虑两个方面，一是各个卫星的多普勒频率，这个由跟踪过程获取，确保卫星信号真实；二是要依据不同卫星导航系统的射频频率进行调制频率选择，使得中频信号经过射频模块的上变频后达到正确的射频频率。经过解调、解扩、再扩频和再调制后，各个卫星导航系统的信号功率在噪声之上，这样不仅提高了卫星信号的信噪比，也确保了卫星信号的真实信息。在进行数模转换之前，要将中频信号合成一路信号，因此根据每个通道的跟踪结果，进行功率综合，并对其进行自动增益控制。这样可以剔除跟踪失败的通道，降低信号的噪声，同时保证信号输出功率稳定。解调调制模块输出的模拟中频信号要上变频到各个卫星导航系统的频点，

解调调制模块数据解包模块、数据提取模块、通道分配模块、捕获跟踪模块、解调模块、调制模块、功率综合模块以及数模转换模块；

如图4所示，网络接收模块输出的数字中频信号先通过数据解包模块进行解包处理，生成串行的数字中频信号，然后通过数据提取模块将串行的数字中频信号根据卫星导航系统类别进行数据提取，将提取后的数据通过通道分配模块进行通道分配，各个通道根据捕获参数通过捕获跟踪模块进行捕获和跟踪，根据跟踪结果通过解调模块对数字中频信号进行解调处理，生成基带信号，对解调后的基带信号通过调制模块进行再次调制，生成数字中频信号，功率综合模块根据各通道的跟踪状态对数字中频信号进行功率合成，合成后的数字中频信号通过数模转换模块转换为模拟中频信号并输出给射频模块。

在本发明中，电力线不仅实现卫星信号传输，而且实现供电传输。放在室外的各个模块由室内的电源通过电力线供电。

基于上述卫星信号模拟系统，本发明还提出了一种基于卫星信号模拟方法，步骤如下：

(1)对卫星信号进行放大滤波，再转换成模拟中频信号，对所述模拟中频信号进行滤波，再转换成数字中频信号，对所述数字中频信号进行并行到串行的转换，以降低数据率，生成的串行数字中频信号进行组包处理后输出；

(2)对步骤(1)组包处理后的输出信号进行组帧，将生成的数据帧转转换为网络信号，并通过网线输出；

(3)对于步骤(2)中网线输出的信号，进行OFDM调制，之后通过电力线输出；

(4)对步骤(3)中电力线输出的信号进行解调，生成网络信号；

(5)将步骤(4)中生成的网络信号转换为数字中频信号，并进行解调调制处理，以提高信噪比；具体为：

对数字中频信号先进行解包处理，生成串行的数字中频信号，然后将串行的数字中频信号根据卫星导航系统类别进行数据提取，将提取后的数据进行通道分配，各个通道根据捕获参数通过捕获跟踪模块进行捕获和跟踪，根据跟踪结果得到的中频频率和扩频码对数字中频信号进行解调和解扩处理，得到原始数据码，然后对原始数据码进行再次载波调制和扩频，生成数字中频信号，根据各通道的跟踪状态对数字中频信号进行功率合成，合成后的数字中频信号转换为模拟中频信号并输出。

(6)对经过解调调制生成的模拟中频信号进行上变频和滤波之后，最终输出射频信号给待测接收机，从而完成卫星信号的模拟。

下面一个具体实施例对本发明的工作过程和工作原理做进一步解释和说明：

以GPS卫星信号为例。GPS卫星信号L1频点信号的频率为1575.42MHz，室外的接收模块接收卫星信号，并对卫星信号进行放大、第一滤波、下变频和第二滤波，卫星信号频率降为4.092MHz的模拟中频信号，然后对4.092MHz的模拟中频信号进行模数转换，采样频率为16.368MHz，位宽为4位。由GPS L1频点信号的带宽2.046MHz可知，16.368MHz的采样频率满足奈奎斯特采样定理。进过采样后，数据率为16.368MHz，位宽为4位，当卫星信号里还有北斗B1频点、B3频点和GLONASSG1频点的信号时，就会出现4组位宽为4位，数据率为16.368MHz，这样的信号数据率为16.368*4*4＝130.944MHz，数据率太高，不利于后续模块传输数据，因此通过串并转换，将并行的4组4位数据转化成一组串行的16位数据，这样数据率依然为16.368MHz。然后对数据以256为单位进行组包，组包后的数字中频信号发送到网络传输模块。

为了确保数据高速传输，组帧模块的MAC层速率配置成1000MHz传输速率，同时转换模块的MDIO芯片将PHY芯片配置成1000MHz。组帧模块的MAC层以RGMII协议为基准进行组帧。组帧后的数据发送到转换模块的PHY芯片，该芯片将数据进行处理后发送到RJ45接口，然后通过网线发送到宽带载波调制模块。宽带载波模块通过OFDM调制技术将数据处理后输出到电力线上，电力线的长度为200m。

室内的宽带载波解调模块接收到电力线的信号后，对信号进行处理，处理后将信号通过网线传输到网络接收模块。通过逆转换模块的RJ45接口接收信号，并通过PHY芯片进行数据处理。处理后的数据发送到解帧模块的MAC层根据RGMII协议进行解帧处理，解帧后的数据发送到调制解调模块。

解帧后的数据先通过解包模块进行处理，将数据传输到解包模块的RAM中，然后以65.472MHz的时钟将数据从RAM中读出，输入到解包模块的异步FIFO中，然后提取模块采用16.368MHz的时钟从FIFO中读取数据，这样保证与室外接收的数据写入同步，从而实现数据的连续性。然后通道分配模块对数据进行通道分配，然后DSP芯片对每个通道配置捕获参数，开始进行捕获。捕获成功后，通道转入跟踪状态，并进行位同步和帧同步。这样就实现了对GPS卫星信号的解扩和解调，得到GPS卫星信号的数据码。然后对数据码进行扩频和载波调制，载波调制的基准频率为15.58MHz。由于不同的GPS卫星传输到地面后产生不同的多普勒频率和伪码相位。因此在载波调制时，不同的卫星调制的频率不同，要加上各自的多普勒频率。在扩频时也要以各自的码相位为基准进行伪码调制。多普勒频率和码相位由捕获跟踪模块的载波环和码环得到。重新扩频和调制后的GPS卫星信号提高了信号功率，室外时卫星信号淹没在噪声中，信号功率为-130dBm，如图2(a)所示，重新扩频和调制后，卫星信号的信号功率为-15dBm，高于噪声，如图2(b)所示，这就提高了卫星信号的信噪比。在经过抗干扰抑制后，信号功率下降到-100dBm左右，但是依然高于噪声，如图2(c)所示。重新扩频和调制后的GPS卫星信号为12个通道，在进行数模转换之前要通过功率综合模块合成一路信号。但是不能直接将12个通道合成，如果有通道没有跟踪上卫星，那该通道就是噪声信号，将其加上后，会使合成后信号的噪声功率变高，因此要根据每个通道的跟踪标志进行合成，剔除掉跟踪失败的通道，并对信号功率进行自动增益控制。合成后的信号通过数模转换将数字中频信号变为模拟中频信号，输出到射频模块。

输出到射频模块的模拟中频信号与1591MHz的射频信号进行混频，将模拟中频信号上变频到1575.42MHz的射频信号。然后进行滤波，并经过2W的功放芯片进行功率放大后输出到发射模块，经发射模块输出后供被测接收机进行GPS卫星导航测试使用。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种电力线通信的实时卫星信号模拟器，其特征在于包括：室外信号处理模块、室内信号处理模块以及连接室外信号处理模块和室内信号处理模块的电力线；

室外信号处理模块接收卫星信号并进行处理，处理后的信号通过电力线传输给室内信号处理模块，室内信号处理模块生成卫星信号并提供给待测接收机；

所述室外信号处理模块包括接收模块、宽带载波调制模块和网络传输模块；

放置在室外的接收模块将接收到的卫星信号转换成数字中频信号并提供给网络传输模块，网络传输模块将所述数字中频信号转换成网络信号，最后通过宽带载波调制模块进行信号调制，并通过电力线输出；

所述接收模块包括放大模块、第一滤波模块、下变频模块、第二滤波模块、模数转换模块、数据缓存模块和数据组包模块；

接收模块接收到的卫星信号先通过放大模块和第一滤波模块进行放大滤波，再通过下变频模块将放大滤波后的卫星信号转换成模拟中频信号，第二滤波模块对所述模拟中频信号进行滤波，再通过模数转换模块转换成数字中频信号，数据缓存模块将输入到其中的数字中频信号进行并行到串行的转换，以降低数据率，生成的串行数字中频信号通过数据组包模块进行组包处理后输出；

所述网络传输模块包括组帧模块和转换模块，接收模块输出的数字中频信号先通过组帧模块进行组帧，生成的数据帧通过转换模块转换为网络信号，并通过网线传输给宽带载波调制模块；

室内信号处理模块包括宽带载波解调模块、网络接收模块、解调调制模块、射频模块和发射模块；

室外信号处理模块通过电力线输出的信号先通过宽带载波解调模块进行解调，生成网络信号并通过网线传输给网络接收模块，网络接收模块处理后生成数字中频信号并提供给解调调制模块，解调调制模块对数字中频信号进行解调调制处理，提高信噪比，生成的模拟中频信号经过射频模块进行上变频和滤波之后，最终通过发射模块输出射频信号给待测接收机；

所述网络接收模块包括逆转换模块和解帧模块，网络信号先通过逆转换模块转换为数据帧，再通过解帧模块转换为数字中频信号。

2.根据权利要求1所述的一种电力线通信的实时卫星信号模拟器，其特征在于：数据缓存模块和数据组包模块通过FPGA实现。

3.根据权利要求1所述的一种电力线通信的实时卫星信号模拟器，其特征在于：组帧模块通过FPGA实现。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的一种电力线通信的实时卫星信号模拟器，其特征在于：卫星信号为模拟射频信号，包括GPS、GLONASS和北斗三个卫星导航系统的卫星信号。

5.根据权利要求1所述的一种电力线通信的实时卫星信号模拟器，其特征在于：所述解调调制模块数据解包模块、数据提取模块、通道分配模块、捕获跟踪模块、解调模块、调制模块、功率综合模块以及数模转换模块；

网络接收模块输出的数字中频信号先通过数据解包模块进行解包处理，生成串行的数字中频信号，然后通过数据提取模块将串行的数字中频信号根据卫星导航系统类别进行数据提取，将提取后的数据通过通道分配模块进行通道分配，各个通道根据捕获参数通过捕获跟踪模块进行捕获和跟踪，根据跟踪结果通过解调模块对数字中频信号进行解调处理，生成基带信号，对解调后的基带信号通过调制模块进行再次调制，生成数字中频信号，功率综合模块根据各通道的跟踪状态对数字中频信号进行功率合成，合成后的数字中频信号通过数模转换模块转换为模拟中频信号并输出给射频模块。

6.根据权利要求1所述的一种电力线通信的实时卫星信号模拟器，其特征在于：连接室外信号处理模块和室内信号处理模块的电力线的长度最长可达200m。

7.一种基于权利要求1所述卫星信号模拟器实现的卫星信号模拟方法，其特征在于步骤如下：

(1)对卫星信号进行放大滤波，再转换成模拟中频信号，对所述模拟中频信号进行滤波，再转换成数字中频信号，对所述数字中频信号进行并行到串行的转换，以降低数据率，生成的串行数字中频信号进行组包处理后输出；

(2)对步骤(1)组包处理后的输出信号进行组帧，将生成的数据帧转换为网络信号，并通过网线输出；

(3)对于步骤(2)中网线输出的信号，进行OFDM调制，之后通过电力线输出；

(4)对步骤(3)中电力线输出的信号进行解调，生成网络信号；

(5)将步骤(4)中生成的网络信号转换为数字中频信号，并进行解调调制处理，以提高信噪比；

(6)对经过解调调制生成的模拟中频信号进行上变频和滤波之后，最终输出射频信号给待测接收机，从而完成卫星信号的模拟；

所述步骤(5)进行解调调制处理，具体为：

对数字中频信号先进行解包处理，生成串行的数字中频信号，然后将串行的数字中频信号根据卫星导航系统类别进行数据提取，将提取后的数据进行通道分配，各个通道根据捕获参数通过捕获跟踪模块进行捕获和跟踪，根据跟踪结果对数字中频信号进行解调处理，生成基带信号，对解调后的基带信号进行再次调制，生成数字中频信号，根据各通道的跟踪状态对数字中频信号进行功率合成，合成后的数字中频信号转换为模拟中频信号并输出。