CN108254769A - 一种时分体制的导航信号生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种时分体制的导航信号生成方法，该方法首次应用在卫星导航领域，通过搭建时分体制的导航信号生成系统，时频信号产生器可以提供稳定的1PPS和10MHz信号，中频信号产生器首先产生需要的码时钟、电文时钟和时分脉冲，并在这些时钟的驱动下，生成时分码序列和电文信息，时分码序列与电文信息扩频调制生成时分扩频信号，时分扩频信号与动态载波正交调制生成时分数字基带信号，又经过D/A转换和上变频，就生成了一种时分体制的导航信号。该方法通过时分复用的方式实现卫星间的双向传输，能够有效利用频率资源，同时提高导航信号的抗干扰性能。

Description

一种时分体制的导航信号生成方法
技术领域
本发明涉及信号生成，卫星导航，时间频率等领域，特别涉及卫星导航领域中一种时分体制的信号生成问题。
背景技术
当前，卫星导航系统正在经历快速的发展，随着卫星导航系统的发展，将面临四大导航系统近百颗导航卫星同时并存的局面，有限的频率资源将更加紧张，多系统之间的兼容性和互操作性成为日益重要的一个论题。如何在有限的频带内合理有效地利用频带资源而又不互相干扰，成为当前信号研究亟待解决的问题。围绕此问题，本发明方法对相关内容展开了一系列探索。
在北斗全球卫星导航系统的建设中，导航卫星不仅要与地面站通信传输，而且卫星之间也要进行建链通信。如果采用传统的连续体制信号实现卫星间的双向传输，要占用两个频点，即正向传输和反向传输各一个频点，这对于日益紧张的频带资源是不小的开销，同时，信号之间也容易产生干扰。而时分体制的信号能有效改善这一问题，即发射和接收共用一个频点，通过时分复用的方式实现卫星间的双向传输，有效利用了频带资源，同时，能够提高信号的抗干扰性能。
发明内容
本发明所要解决的技术解决问题是：针对卫星导航系统中频率资源日益紧张的现状，也为了避免导航信号间互相干扰，提出一种时分体制的导航信号生成方法，该方法能够合理有效地利用频率资源，同时该方法能够提高导航信号的抗干扰性能。
本发明采用的技术方案是：
一种时分体制的导航信号生成方法，包括以下步骤：
(1)搭建时分体制的导航信号生成系统，包括时频信号产生器、中频信号产生器、KA频段上变频器及连接电缆，时频信号产生器为中频信号产生器提供1pps和10MHz信号，为KA频段上变频器提供10MHz信号，中频信号产生器包括DSP模块、FPGA模块及D/A转换模块；
(2)中频信号产生器中的FPGA模块依据时频信号产生器提供的1pps和10MHz信号产生码时钟、电文时钟及时分脉冲；
(3)FPGA模块根据DSP模块写入的码初相编号选择不同的码初相，依据码生成多项式生成I、Q两路码序列，使I、Q两路码序列在时分脉冲的作用下具有时分特性，得到I、Q两路时分码序列，由码时钟控制码序列的速率；FPGA模块根据DSP模块写入的I、Q两路初始电文信息进行电文读取、计算CRC校验和LDPC编码生成I、Q两路电文信息，由电文时钟控制电文信息的速率；FPGA模块采用多级DDS的方法，由DDS通道生成动态载波；
(4)FPGA模块将I、Q两路时分码序列与I、Q两路电文信息进行扩频调制生成I、Q两路时分扩频信号；
(5)FPGA模块将I、Q两路时分扩频信号与动态载波进行正交调制生成I、Q两路时分数字基带信号，并输出给D/A转换模块；
(6)D/A转换模块在FPGA模块的控制下将I、Q两路时分数字基带信号转变为时分模拟中频信号，并输出给KA频段上变频器；
(7)KA频段上变频器把输入的时分模拟中频信号转变为KA频段时分射频信号，得到时分体制的导航信号。
其中，步骤(2)具体包括以下步骤：
(201)FPGA模块内部的PLL锁相环将输入的10MHz信号倍频到系统时钟80MHz；
(202)FPGA模块采用多级DDS的方法，在系统时钟控制下，利用DDS通道生成码时钟，并调整动态1pps的时延；
(203)FPGA模块通过调整后的1pps和码时钟的计数，产生电文时钟和周期3秒的时分脉冲，其中时分脉冲在一个周期内0S～1.5S中为高电平，1.5S～3S为低电平。
其中，步骤(202)中DDS通道为二级DDS调整系统，由2个累加器组成；其中，一次量累加器实现动态信号卫星测距的1次分量，即卫星测距的速度模拟，需要的控制字由DSP模块根据速度值计算并写入；二次量累加器实现动态信号卫星测距的2次分量，即卫星测距的加速度模拟，需要的控制字由DSP模块根据加速度值计算并写入；两级DDS调整完成后，产生频率含有多普勒的码时钟；动态1pps的时延调整量由DSP模块计算并写入，用于动态调整伪码时延。
其中，步骤(3)中的码生成多项式Gz为：
Gz＝x31+x11+x8+x5+x4+x+1
其中，码初相每3秒复位一次；码序列与时分脉冲相“与”，产生的码序列具有与时分脉冲相同的时分特性，即周期为3秒，0S～1.5S中有码，1.5S～3S中无码。
其中，步骤(5)中正交调制的过程为：
Iout＝Iin×cos-Qin×sin
Qout＝Iin×sin+Qin×cos
其中，Iin和Qin为正交调制前的I、Q两路时分扩频信号，sin和cos分别为动态载波的正弦分量和余弦分量，Iout和Qout分别为正交调制后的I、Q两路时分数字基带信号。
本发明相对于背景技术的优点在于：
(1)本发明方法率先在卫星导航领域提出了一种时分体制的信号生成方案，填补了该领域的空白；
(2)本发明方法中的导航信号生成方法通过时分复用的方式实现卫星间的双向传输，发射和接收共用一个频点，有效利用了频率资源；
(3)本发明方法生成的时分体制导航信号具有较强的抗干扰性能；
附图说明
图1是本发明所涉及设备的连接图。
图2是本发明的码时钟DDS通道原理框图。
图3是本发明的实现流程图。
图4是本发明的DSP处理器控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明方法所涉及设备的连接图。本发明方法所涉及的设备主要有时频信号产生器、中频信号产生器、KA频段上变频器等。其中，时频信号产生器为中频信号产生器提供10MHz和1PPS信号，为KA频段上变频器提供10MHz信号。中频信号产生器包括DSP模块、FPGA模块和D/A转换模块，能够产生时分体制的中频信号。KA频段上变频器能够将输入的中频信号转变为KA频段射频信号。
图2为本发明方法的码时钟DDS通道原理框图，用于产生频率含有多普勒的码时钟。包括2个累加器，一次量累加器实现卫星测距的速度模拟，二次量累加器实现卫星测距的加速度模拟，需要的控制字由DSP模块计算并写入。时钟1和时钟2由系统时钟分频产生。相同的DDS通道可以用于产生动态载波，DDS通道产生的时钟经过余弦查表和正弦查表，产生的余弦值和正弦值即可作为动态载波的余弦分量和正弦分量。
图3为本发明方法的实现流程图，详细描述了一种时分体制的导航信号生成方法的实现流程。图4是本发明方法的DSP处理器控制流程图，详细描述了DSP处理器的工作流程，DSP处理器与上位机、FPGA模块的数据交互处理过程，DSP处理器是中频信号产生器的重要组成部分。
本发明方法的主要步骤如下：
(1)搭建时分体制的导航信号生成系统，按照图1所示连接时频信号产生器、中频信号产生器、KA频段上变频器及连接电缆。
工作状态下，时频信号产生器能够为中频信号产生器和KA频段上变频器提供稳定的10MHz和1PPS信号。其中，中频信号产生器包括DSP模块、FPGA模块、D/A转换模块。
(2)中频信号产生器中的FPGA模块依据输入的1pps和10MHz信号产生需要的码时钟、电文时钟及时分脉冲，具体包括以下步骤：
首先，FPGA模块内部的PLL锁相环将输入的10MHz信号倍频到系统时钟80MHz，系统时钟是整个FPGA模块设计所采用的基准参考时钟。
其次，采用多级DDS的方法，在系统时钟控制下，DDS通道生成码时钟，同时调整动态1pps的时延。
该DDS通道为二级DDS调整系统，由2个累加器组成。其中，一次量累加器实现动态信号卫星测距的1次分量，即卫星测距的速度模拟，需要的控制字由DSP模块根据速度值计算并写入。二次量累加器实现动态信号卫星测距的2次分量，即卫星测距的加速度模拟，需要的控制字由DSP模块根据加速度值计算并写入。两级DDS调整完成后，产生频率含有多普勒的码时钟。
动态1pps的时延调整量由DSP模块计算并写入，用于动态调整伪码时延。
最后，通过1pps和码时钟的计数，产生电文时钟和周期3秒的时分脉冲,其中时分脉冲在在一个周期内0S～1.5S中为高电平，1.5S～3S为低电平。
(3)FPGA模块根据DSP模块写入的码初相编号选择不同的码初相，同时，依据码生成多项式生成I、Q两路码序列，码序列在时分脉冲作用下具有时分特性，由码时钟控制输出进行扩频调制。
其中，码生成多项式为：Gz＝x31+x11+x8+x5+x4+x+1。码初相由DSP模块写入的码编号确定，每3秒复位一次。码序列与时分脉冲相“与”，产生的码序列具有与时分脉冲相同的时分特性，即周期为3秒，0S～1.5S中有码，1.5S～3S中无码。
并且DSP模块给FPGA模块写入I、Q两路初始电文信息，FPGA模块经过读取电文、计算CRC校验、LDPC编码后，生成最终的电文信息，由电文时钟控制输出进行扩频调制，具体包括以下步骤：
首先，DSP模块把I、Q两路初始电文信息写入FPGA内的RAM中存储。
其次，FPGA模块读取RAM中的电文，并计算电文的CRC校验，CRC校验的生成多项式为：g(x)＝x16+x13+x3+1。
最后，电文计算校验后，对其LDPC编码，由电文时钟控制输出进行扩频调制。
并且FPGA模块采用多级DDS的方法，利用DDS通道生成动态载波，DDS通道能够产生动态时钟，经过余弦查表和正弦查表，产生的余弦值和正弦值即可作为动态载波的余弦分量和正弦分量。
(4)FPGA模块将I、Q两路时分码序列与电文信息进行扩频调制生成两路时分扩频信号，扩频调制采用异或门实现。
(5)FPGA模块将I、Q两路时分扩频信号与动态载波进行正交调制生成两路时分数字基带信号，送给D/A转换模块。
正交调制的过程为：
Iout＝Iin×cos-Qin×sin
Qout＝Iin×sin+Qin×cos
其中，Iin和Qin为正交调制前的I、Q两路时分扩频信号，sin和cos分别为动态载波的正弦分量和余弦分量，Iout和Qout分别为正交调制后的I、Q两路时分数字基带信号。
(6)D/A转换模块选择AD9148，FPGA模块控制AD9148的输入参数，把时分数字基带信号转变为时分模拟中频信号，并输出给KA频段上变频器。
AD9148是一款4通道、16位、高动态范围的数模转换器DAC，可以提供1000MSPS的采样速率，具有针对直接变频传输应用进行优化的特性，包括增益、相位和失调补偿。它包含两个16对LVDS数据输入接口，支持双端口、单端口和字节模式，FPGA需要给AD9148提供数字数据和随路参考时钟DCI。中频信号产生器生成的时分数字基带信号送给AD9148，然后通过配置AD9148的参数可以调整时分模拟中频信号的输出频点。
(7)KA频段上变频器把输入的时分模拟中频信号转变为KA频段时分射频信号，这样就生成了一种时分体制的导航信号。
本说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种时分体制的导航信号生成方法，用于产生一种时分体制的导航信号，其特征在于，包括以下步骤：
(1)搭建时分体制的导航信号生成系统，包括时频信号产生器、中频信号产生器、KA频段上变频器及连接电缆，时频信号产生器为中频信号产生器提供1pps和10MHz信号，为KA频段上变频器提供10MHz信号，中频信号产生器包括DSP模块、FPGA模块及D/A转换模块；
(2)中频信号产生器中的FPGA模块依据时频信号产生器提供的1pps和10MHz信号产生码时钟、电文时钟及时分脉冲；
(3)FPGA模块根据DSP模块写入的码初相编号选择不同的码初相，依据码生成多项式生成I、Q两路码序列，使I、Q两路码序列在时分脉冲的作用下具有时分特性，得到I、Q两路时分码序列，由码时钟控制码序列的速率；FPGA模块根据DSP模块写入的I、Q两路初始电文信息进行电文读取、计算CRC校验和LDPC编码生成I、Q两路电文信息，由电文时钟控制电文信息的速率；FPGA模块采用多级DDS的方法，由DDS通道生成动态载波；
(4)FPGA模块将I、Q两路时分码序列与I、Q两路电文信息进行扩频调制生成I、Q两路时分扩频信号；
(5)FPGA模块将I、Q两路时分扩频信号与动态载波进行正交调制生成I、Q两路时分数字基带信号，并输出给D/A转换模块；
(6)D/A转换模块在FPGA模块的控制下将I、Q两路时分数字基带信号转变为时分模拟中频信号，并输出给KA频段上变频器；
(7)KA频段上变频器把输入的时分模拟中频信号转变为KA频段时分射频信号，得到时分体制的导航信号。
2.按照权利要求1所述的一种时分体制的导航信号生成方法，其特征在于，步骤(2)具体包括以下步骤：
(201)FPGA模块内部的PLL锁相环将输入的10MHz信号倍频到系统时钟80MHz；
(202)FPGA模块采用多级DDS的方法，在系统时钟控制下，利用DDS通道生成码时钟，并调整动态1pps的时延；
(203)FPGA模块通过调整后的1pps和码时钟的计数，产生电文时钟和周期3秒的时分脉冲，其中时分脉冲在一个周期内0S～1.5S中为高电平，1.5S～3S为低电平。
3.根据权利要求2所述的一种时分体制的导航信号生成方法，其特征在于，步骤(202)中DDS通道为二级DDS调整系统，由2个累加器组成；其中，一次量累加器实现动态信号卫星测距的1次分量，即卫星测距的速度模拟，需要的控制字由DSP模块根据速度值计算并写入；二次量累加器实现动态信号卫星测距的2次分量，即卫星测距的加速度模拟，需要的控制字由DSP模块根据加速度值计算并写入；两级DDS调整完成后，产生频率含有多普勒的码时钟；动态1pps的时延调整量由DSP模块计算并写入，用于动态调整伪码时延。
4.按照权利要求1所述的一种时分体制的导航信号生成方法，其特征在于，步骤(3)中的码生成多项式Gz为：
Gz＝x31+x11+x8+x5+x4+x+1
其中，码初相每3秒复位一次；码序列与时分脉冲相“与”，产生的码序列具有与时分脉冲相同的时分特性，即周期为3秒，0S～1.5S中有码，1.5S～3S中无码。
5.根据权利要求1所述的一种时分体制的导航信号生成方法，其特征在于步骤(5)中正交调制的过程为：
Iout＝Iin×cos-Qin×sin
Qout＝Iin×sin+Qin×cos
其中，Iin和Qin为正交调制前的I、Q两路时分扩频信号，sin和cos分别为动态载波的正弦分量和余弦分量，Iout和Qout分别为正交调制后的I、Q两路时分数字基带信号。
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