CN112013875A - 基于gpu实时导航信号生成装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于GPU实时导航信号生成装置，所述基于GPU实时导航信号生成装置包括数字信号产生单元及下行信号射频单元，其中：所述数字信号产生单元用于根据时频信号产生数字中频信号；所述下行信号射频单元用于将所述数字中频信号转换为模拟中频信号，以及完成所述模拟中频信号的上变频并输出相应功率的射频导航信号，以模拟导航卫星信号的生成；数字中频信号包括B1频点导航信号、B2频点导航信号和B3频点导航信号；所述数字信号产生单元中的GPU通过流同时生成所述B1频点导航信号、所述B2频点导航信号、所述B3频点导航信号的数字基带信号，以通过GPU进行实时处理信号，并保持与真实卫星的信息接收和信号生成时延的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及导航卫星的地面仿真技术领域，特别涉及一种基于GPU的基于GPU实时导航信号生成装置。
背景技术
卫星模拟器用于代表空间段的状态开展导航全系统的试验验证任务。
导航信号生成模拟器是卫星模拟器的重要组成部分之一，其主要功能是产生B1、B2、B3频点导航信号(北斗导航系统接口控制文件确定，类似于GPS的L1、L5等名称)，接收导航电文并将导航电文调制到下行导航信号。同时要求具备下行信号重构的能力，具体包括具备查找表、功率配比、信息速率、扩频码、扩频参数、信道编码等的重构能力。
为确保试验结果的可信度，需卫星模拟器与真实卫星的关键技术指标一致，同时为方便开展各种新技术、新体制的试验验证任务又需要卫星模拟器具备灵活可配置的特点。传统的导航卫星信号生成器采用DSP结合FPGA的架构，该架构存在开发周期长、成本高、调试复杂、升级改造困难等缺点，因此不适合用做地面试验任务。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于GPU实时导航信号生成装置，以解决现有的信号生成模拟器灵活性差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于GPU实时导航信号生成装置，所述基于GPU实时导航信号生成装置包括数字信号产生单元及下行信号射频单元，其中：
所述数字信号产生单元用于根据时频信号产生数字中频信号；所述下行信号射频单元用于将所述数字中频信号转换为模拟中频信号，以及完成所述模拟中频信号的上变频并输出相应功率的射频导航信号，以模拟导航卫星信号的生成；
所述数字中频信号包括B1频点导航信号、B2频点导航信号和B3频点导航信号；
所述数字信号产生单元中的GPU通过流同时生成所述B1频点导航信号、所述B2频点导航信号、所述B3频点导航信号的数字基带信号，以通过GPU进行实时处理信号，并保持与真实卫星的信息接收和信号生成时延的一致性。
可选的，在所述的基于GPU实时导航信号生成装置中，所述数字信号产生单元与所述下行信号射频单元之间采用高速光纤连接。
可选的，在所述的基于GPU实时导航信号生成装置中，所述数字中频信号包括B1频点导航信号、所述B2频点导航信号和所述B3频点导航信号；
所述数字信号产生单元中的GPU通过流同时生成所述B1频点导航信号、所述B2频点导航信号、所述B3频点导航信号的数字基带信号，所述数字基带信号分为13个通道。
可选的，在所述的基于GPU实时导航信号生成装置中，所述数字信号产生单元包括数字载波产生模块、数字信号处理模块和接口通信模块，其中：
所述数字载波产生模块通过外部组件的1PPS信号驱动数字载波相位累加，再将相位累加值作为数字载波查找表的地址，通过所述数字载波查找表输出载波；
所述数字信号处理模块用于生成数字基带信号层面的扩频码及信道编码，生成所述B1频点导航信号、B2频点导航信号和B3频点导航信号，同时接收导航任务处理机生成的导航电文，并调制到B1频点导航信号、B2频点导航信号和B3频点导航信号上；
所述接口通信模块用于提供所述数字信号处理模块与外部通信的接口。
可选的，在所述的基于GPU实时导航信号生成装置中，所述数字信号处理模块包括精密测距码、C码发生器、幅度映射器、基带成形滤波器和反Sinc滤波器，其中：
所述精密测距码和所述C码发生器在所述外部组件的1PPS信号和相应频点的所述时频信号的控制下产生相应的码流，调制到对应通道的导航电文后，经所述幅度映射器转换为非归零码，所述基带成形滤波器滤除高频分量后调制至所述数字中频信号，经所述反Sinc滤波器滤波后，由所述接口通信模块输出至所述下行信号射频单元。
可选的，在所述的基于GPU实时导航信号生成装置中，所述下行信号射频单元包括DA转换模块、调制模块、数控衰减模块和隔离器，其中：
所述DA转换模块将B1频点导航信号、B2频点导航信号、B3频点导航信号转换为所述模拟中频信号；
所述调制模块用于完成所述B1频点导航信号、所述B2频点导航信号、所述B3频点导航信号的频点模拟正交调制，并在扩频模式及单载波模式间切换；
所述数控衰减模块完成射频信号的输出功率控制；
所述隔离器用于减少由于阻抗不匹配引起的后端反射信号对前端信号的影响。
可选的，在所述的基于GPU实时导航信号生成装置中，所述DA转换模块的路数共4路，每支路的DA转换值为16bit，DA转换模块的速率为500MHz。
可选的，在所述的基于GPU实时导航信号生成装置中，所述数控衰减模块可调节范围为8dB，步进幅度为1dB。
在本发明提供的基于GPU实时导航信号生成装置中，通过数字信号产生单元根据时频信号产生数字中频信号，下行信号射频单元用于将所述数字中频信号转换为模拟中频信号，以及完成所述模拟中频信号的上变频并输出相应功率的射频导航信号，实现了数字基带信号处理功能的软件化，有利于信号体制、信号格式、电文编排、调制方式等的灵活可变升级，极大地增强了系统的可设计性、可拓展性和可维护性，有利于在地面对系统体制和关键技术进行试验验证。另外，通过所述数字信号产生单元中的GPU通过流同时生成所述B1频点导航信号、所述B2频点导航信号、所述B3频点导航信号的数字基带信号，以通过GPU进行实时处理信号，并保持与真实卫星的信息接收和信号生成时延的一致性，实现了通过GPU的高速运算能力可以保证信号处理的实时性，确保与真实卫星的信息接收和信号生成时延的一致性。
另外，通过精密测距码和C码发生器在外部组件的1PPS信号和相应频点的时频信号的控制下产生相应的码流，调制到对应通道的导航电文后，经幅度映射器转换为非归零码，基带成形滤波器滤除高频分量后调制至所述数字中频信号，方便故障排查和调试，软件化的数字基带信号处理方式可以将处理的中间状态信息全部输出，实现内部信息接口全可开放对外输出；实现了硬件功能退化，使得硬件状态对系统升级不再形成制约，提高了信息处理的可重构能力。
更进一步，通过DA转换模块将B1频点导航信号、B2频点导航信号、B3频点导航信号转换为模拟中频信号，调制模块完成B1频点导航信号、B2频点导航信号、B3频点导航信号的频点模拟正交调制，数控衰减模块完成射频信号的输出功率控制，实现了具有采样数据实时存储和离线回放至射频信号的能力，便于问题回溯与排查。
最后，由于DA转换模块的芯片采样保持特性使其对信号有Sinc滤波效应，对高频分量产生抑制，从而影响信号质量，因此在数字基带信号输出至DA转换模块前进行了反Sinc滤波，补偿DA芯片的Sinc效应。
附图说明
图1是本发明一实施例的基于GPU实时导航信号生成装置示意图；
图2是本发明一实施例的基于GPU实时导航信号生成装置的数字中频信号生成示意图；
图中所示：10-数字信号产生单元；11-数字信号处理模块；12-接口通信模块；20-下行信号射频单元；21-DA转换模块；22-调制模块；23-数控衰减模块；24-隔离器；30-外部组件。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于GPU实时导航信号生成装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于提供一种基于GPU实时导航信号生成装置，以解决现有的信号生成模拟器灵活性差的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种基于GPU实时导航信号生成装置，所述基于GPU实时导航信号生成装置包括数字信号产生单元及下行信号射频单元，其中：所述数字信号产生单元用于根据时频信号产生数字中频信号；所述下行信号射频单元用于将所述数字中频信号转换为模拟中频信号，以及完成所述模拟中频信号的上变频并输出相应功率的射频导航信号，以模拟导航卫星信号的生成；所述数字中频信号包括B1频点导航信号、B2频点导航信号和B3频点导航信号；所述数字信号产生单元中的GPU通过流同时生成所述B1频点导航信号、所述B2频点导航信号、所述B3频点导航信号的数字基带信号，以通过GPU进行实时处理信号，并保持与真实卫星的信息接收和信号生成时延的一致性。
<实施例一>
本实施例提供一种基于GPU实时导航信号生成装置，如图1所示，所述基于GPU实时导航信号生成装置包括数字信号产生单元10及下行信号射频单元20，其中：所述数字信号产生单元10用于根据时频信号产生数字中频信号；所述下行信号射频单元20用于将所述数字中频信号转换为模拟中频信号，以及完成所述模拟中频信号的上变频并输出相应功率的射频导航信号。所述数字信号产生单元10与所述下行信号射频单元20之间采用高速光纤连接。
具体的，在所述的基于GPU实时导航信号生成装置中，所述数字中频信号包括B1频点导航信号、B2频点导航信号和B3频点导航信号；所述数字信号产生单元10在GPU中采用流(stream)技术同时生成所述B1频点导航信号、所述B2频点导航信号、所述B3频点导航信号的数字基带信号，即所述数字信号产生单元中的GPU通过流同时生成所述B1频点导航信号、所述B2频点导航信号、所述B3频点导航信号的数字基带信号，以通过GPU进行实时处理信号，并保持与真实卫星的信息接收和信号生成时延的一致性。所述数字基带信号分为13个通道。图形处理器(Graphics Processing Unit，简称GPU)，又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备(如平板电脑、智能手机等)上做图像和图形相关运算工作的微处理器。GPU使显卡减少了对CPU的依赖，并进行部分原本CPU的工作，尤其是在3D图形处理时GPU所采用的核心技术有硬件T&L(几何转换和光照处理)、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等，而硬件T&L技术可以说是GPU的标志。GPU的生产商主要有NVIDIA和ATI。
进一步的，在所述的基于GPU实时导航信号生成装置中，所述数字信号产生单元10包括数字载波产生模块、数字信号处理模块11和接口通信模块12，其中：所述数字载波产生模块通过外部组件30的1PPS信号驱动数字载波相位累加，再将相位累加值作为数字载波查找表的地址，通过所述数字载波查找表输出载波；所述数字信号处理模块11用于生成数字基带信号层面的扩频码及信道编码，生成所述B1频点导航信号、B2频点导航信号和B3频点导航信号，同时接收导航任务处理机生成的导航电文，并调制到B1频点导航信号、B2频点导航信号和B3频点导航信号上；所述接口通信模块12用于提供所述数字信号处理模块11与外部通信的接口。
如图2所示，在所述的基于GPU实时导航信号生成装置中，所述数字信号处理模块11包括精密测距码、C码发生器、幅度映射器、基带成形滤波器和反Sinc滤波器，其中：所述精密测距码和所述C码发生器在所述外部组件30的1PPS信号和相应频点的所述时频信号的控制下产生相应的码流，调制到对应通道的导航电文后，经所述幅度映射器转换为非归零码，所述基带成形滤波器滤除高频分量后调制至所述数字中频信号，经所述反Sinc滤波器滤波后，由所述接口通信模块12输出至所述下行信号射频单元20。
另外，在所述的基于GPU实时导航信号生成装置中，所述下行信号射频单元20包括DA转换模块21、调制模块22、数控衰减模块23和隔离器24，其中：所述DA转换模块21将B1频点导航信号、B2频点导航信号、B3频点导航信号转换为所述模拟中频信号；所述调制模块22用于完成所述B1频点导航信号、所述B2频点导航信号、所述B3频点导航信号的频点模拟正交调制，并在扩频模式及单载波模式间切换；所述数控衰减模块23完成射频信号的输出功率控制；所述隔离器24用于减少由于阻抗不匹配引起的后端反射信号对前端信号的影响。其中，在所述的基于GPU实时导航信号生成装置中，所述DA转换模块21的路数共4路，每支路的DA转换值为16bit，DA转换模块的速率为500MHz。所述数控衰减模块23可调节范围为8dB，步进幅度为1dB。
在本发明提供的基于GPU实时导航信号生成装置中，通过数字信号产生单元10根据时频信号产生数字中频信号，下行信号射频单元20将所述数字中频信号转换为模拟中频信号，以及完成所述模拟中频信号的上变频并输出相应功率的射频导航信号，实现了数字基带信号处理功能的软件化，有利于信号体制、信号格式、电文编排、调制方式等的灵活可变升级，极大地增强了系统的可设计性、可拓展性和可维护性，有利于在地面对系统体制和关键技术进行试验验证。
进一步的，通过所述数字信号产生单元10中的GPU通过流同时生成B1频点导航信号、B2频点导航信号、B3频点导航信号的数字基带信号，GPU的高速运算能力可以保证信号处理的实时性，确保与真实卫星的信息接收和信号生成时延的一致性。
另外，通过精密测距码和C码发生器在外部组件30的1PPS信号和相应频点的时频信号的控制下产生相应的码流，调制到对应通道的导航电文后，经幅度映射器转换为非归零码，基带成形滤波器滤除高频分量后调制至所述数字中频信号，方便故障排查和调试，软件化的数字基带信号处理方式可以将处理的中间状态信息全部输出，实现内部信息接口全可开放对外输出；实现了硬件功能退化，使得硬件状态对系统升级不再形成制约，提高了信息处理的可重构能力。
更进一步，通过DA转换模块21将B1频点导航信号、B2频点导航信号、B3频点导航信号转换为模拟中频信号，调制模块22完成B1频点导航信号、B2频点导航信号、B3频点导航信号的频点模拟正交调制，数控衰减模块23完成射频信号的输出功率控制，实现了具有采样数据实时存储和离线回放至射频信号的能力，便于问题回溯与排查。
最后，由于DA转换模块21的芯片采样保持特性使其对信号有Sinc滤波效应，对高频分量产生抑制，从而影响信号质量，因此在数字基带信号输出至DA转换模块21前进行了反Sinc滤波，补偿DA芯片的Sinc效应。
综上，上述实施例对基于GPU实时导航信号生成装置的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于GPU实时导航信号生成装置，其特征在于，所述基于GPU实时导航信号生成装置包括数字信号产生单元及下行信号射频单元，其中：
所述数字信号产生单元用于根据时频信号产生数字中频信号；所述下行信号射频单元用于将所述数字中频信号转换为模拟中频信号，以及完成所述模拟中频信号的上变频并输出相应功率的射频导航信号，以模拟导航卫星信号的生成；
所述数字中频信号包括B1频点导航信号、B2频点导航信号和B3频点导航信号；
所述数字信号产生单元中的GPU通过流同时生成所述B1频点导航信号、所述B2频点导航信号、所述B3频点导航信号的数字基带信号，以通过GPU进行实时处理信号，并保持与真实卫星的信息接收和信号生成时延的一致性。
2.如权利要求1所述的基于GPU实时导航信号生成装置，其特征在于，所述数字信号产生单元与所述下行信号射频单元之间采用高速光纤连接。
3.如权利要求1所述的基于GPU实时导航信号生成装置，其特征在于，所述数字基带信号分为13个通道。
4.如权利要求3所述的基于GPU实时导航信号生成装置，其特征在于，所述数字信号产生单元包括数字载波产生模块、数字信号处理模块和接口通信模块，其中：
所述数字载波产生模块通过外部组件的1PPS信号驱动数字载波相位累加，再将相位累加值作为数字载波查找表的地址，通过所述数字载波查找表输出载波；
所述数字信号处理模块用于生成数字基带信号层面的扩频码及信道编码，生成所述B1频点导航信号、B2频点导航信号和B3频点导航信号，同时接收导航任务处理机生成的导航电文，并调制到B1频点导航信号、B2频点导航信号和B3频点导航信号上；
所述接口通信模块用于提供所述数字信号处理模块与外部通信的接口。
5.如权利要求4所述的基于GPU实时导航信号生成装置，其特征在于，所述数字信号处理模块包括精密测距码、C码发生器、幅度映射器、基带成形滤波器和反Sinc滤波器，其中：
所述精密测距码和所述C码发生器在所述外部组件的1PPS信号和相应频点的所述时频信号的控制下产生相应的码流，调制到对应通道的导航电文后，经所述幅度映射器转换为非归零码，所述基带成形滤波器滤除高频分量后调制至所述数字中频信号，经所述反Sinc滤波器滤波后，由所述接口通信模块输出至所述下行信号射频单元。
6.如权利要求5所述的基于GPU实时导航信号生成装置，其特征在于，所述下行信号射频单元包括DA转换模块、调制模块、数控衰减模块和隔离器，其中：
所述DA转换模块将B1频点导航信号、B2频点导航信号、B3频点导航信号转换为所述模拟中频信号；
所述调制模块用于完成所述B1频点导航信号、所述B2频点导航信号、所述B3频点导航信号的频点模拟正交调制，并在扩频模式及单载波模式间切换；
所述数控衰减模块完成射频信号的输出功率控制；
所述隔离器用于减少由于阻抗不匹配引起的后端反射信号对前端信号的影响。
7.如权利要求6所述的基于GPU实时导航信号生成装置，其特征在于，所述DA转换模块的路数共4路，每支路的DA转换值为16bit，DA转换模块的速率为500MHz。
8.如权利要求6所述的基于GPU实时导航信号生成装置，其特征在于，所述数控衰减模块可调节范围为8dB，步进幅度为1dB。
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