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悲枪阎
5 years ago
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1 利用 FPGA 生成卫星导航信号的方法张三丰 1, 2, 黄蓉 3*, 吴若强 1, 2 (1. 地理信息工程国家重点实验室, 西安 ;2. 武汉大学测绘学院, 武汉 ; 3. 中国卫星导航定位应用管理中心, 北京 ) 摘要 : 卫星导航信号模拟器能够产生多种卫星导航系统的各种信号, 这些信号通常具有不同的载波频率信号分量码结构码速率和数据速率, 而且模拟器所要模拟的卫星动态也是实时变化的, 因而采用何种方法快速灵活的生成多种卫星导航信号并模拟卫星的真实状态便成为卫星导航信号模拟器的一个关键技术文章给出了一种基于现场可编程门阵列的卫星导航信号生成方法首先由信号参数计算单元计算得出卫星导航信号的码多普勒和载波多普勒等相关参数, 现场可编程门阵列在这些参数的控制下, 码数控振荡器以码片为节拍分别生成扩频码二级码导航电文, 载波数控振荡器生成中频载波, 然后将合成的当前码片和相邻码片所对应的不同码片波形叠加合成进行码片成形, 再和中频载波相乘进行调制, 最后输出中频已调信号在二进制相移键控信号生成方法的基础上, 只需将码数控振荡器和码片成形稍作改动便可生成二进制偏移载波信号复合二进制偏移载波信号和时分二进制偏移载波信号关键词 : 卫星导航信号模拟器 ; 信号生成 ; 现场可编程门阵列 ; 码片成形中图分类号 :P228 文献标识码 :A 文章编号 : (2013)04- - A Signal Generation Method for GNSS Based FPGA ZHANG Sanfeng 1, 2, HUANG Rong 3*, WU Ruoqiang 1, 2 (1. State Key Laboratory of Geo information Engineering, Xi an , China; 2. School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University,Wuhan , China; 3. China National Administration of GNSS and Application, Beijing , China) Abstract: GNSS signal simulator is able to produce various navigation signals of GPS, Galileo, BDS, such as BPSK, BOC, CBOC, and TMBOC. These signals typically have different carrier frequency, signal components, code structure, code rate and data rate, and the satellite dynamics to be simulated by the simulator is also changing in real time, thus how to quickly and flexibly generate a variety of GNSS signals and simulate the true state of the satellite has become one of the key technologies of the GNSS signal simulator. The paper proposes a FPGA-based GNSS signals generation method. First code Doppler, carrier Doppler and other related parameters are derived by the parameter calculation unit of navigation signals. Under the control of these parameters, the code NCO respectively generates the PRN code, the secondary code and navigation data in chip beat, and the carrier NCO generates IF carrier. After the chip shaping by synthesis different chip waveform corresponding to the current and adjacent chips, signal is modulated with IF carrier. Finally, the modulated IF signal is output. On the base of BPSK signal generation method, the BOC, CBOC and TMBOC signal generation is simple just making a little change. Key words: GNSS signal simulator; signal generation; FPGA; chip shaping 0 引言如今全球卫星导航系统 (global navigation satellite system, GNSS) 越来越复杂,GNSS

信号的数量和种类都大大增加, 且不同的卫星导航系统同时存在, 而导航的频率资源又极其有限, 如何有效的进行信号体制设计成为一个日益紧迫的问题接收机根据需求的不同对性能有不同的要求, 如何满足接收机研制的不同要求, 提供相应 GNSS 信号, 模拟不同应用环境, 也是一个亟待解决的问题而 GNSS 信号模拟器是解决这两个问题的最好办法 : 一方面, 在系统设计阶段, 利用 GNSS

2 信号的数量和种类都大大增加, 且不同的卫星导航系统同时存在, 而导航的频率资源又极其有限, 如何有效的进行信号体制设计成为一个日益紧迫的问题接收机根据需求的不同对性能有不同的要求, 如何满足接收机研制的不同要求, 提供相应 GNSS 信号, 模拟不同应用环境, 也是一个亟待解决的问题而 GNSS 信号模拟器是解决这两个问题的最好办法 : 一方面, 在系统设计阶段, 利用 GNSS 信号模拟器对信号进行测试验证, 分析其性能优劣, 选择合适的信号体制, 可有效降低系统风险 ; 另一方面, 在接收机研制过程中, 利用 GNSS 信号模拟器模拟各种环境下的卫星信号, 对接收机的捕获和跟踪算法等进行测试验证, 可大大降低成本, 缩短接收机开发周期 GNSS 信号模拟器的核心就是信号生成及信号状态模拟 GNSS 信号模拟器要求能够模拟产生全球定位系统 (global positioning system, GPS) 伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system,galileo) 北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS) 等系统的各种导航信号, 如二进制相移键控 (binary phase shift keying,bpsk) 信号, 二进制偏移载波 (binary offset carrier, BOC) 信号, 复合二进制偏移载波 (composite binary offset carrier, CBOC) 信号, 时分二进偏移载波 (time multiplexed binary offset carrier,tmboc) 信号等这些信号往往具有不同的载波频率信号分量码结构码速率和数据速率 ; 另外模拟器所要模拟的卫星信号状态也是实时变化的, 这就要求 GNSS 信号的生成要简单灵活, 不同信号的生成只需做很小的改动或只需重新配置文献 [1] 介绍了一种多通道 GPS 信号模拟器方案, 文献 [2] 介绍了一种多星座 GNSS 信号模拟器结构及其软件实现, 文献 [3] 介绍了一种基于以太网的多用户 GNSS 信号模拟器结构及信号产生方法, 文献 [4] 开发了一种应用低中频数字正交调制的多信号结构 GNSS 信号模拟器, 文献 [5] 给出了一种基于面向仪器系统的 PCI 扩展 (PCI extensions for instrumentation,pxi) 构架的导航信号模拟器设计方案在这些文献中 GNSS 信号的生成都是采用现场可编程门阵列 (field-programable gate array,fpga) 实现, 但是都没有给出具体的实现方式本文首先给出一种基于 FPGA 的 BPSK 信号生成方法, 在此基础上, 稍作改动, 给出 BOC CBOC TMBOC 等信号的生成方法 1 BPSK 信号生成如图 1 所示,GNSS 信号生成主要包括扩频码二级码和导航电文的生成码片成形载波的生成以及调制系统在开始工作之前, 数字信号处理器 (digital signal processor, DSP) 将相应的扩频码序列二级码序列和导航电文序列按照一定的格式发送到 FPGA 的随机存储器 (random access memory,ram) 中, 同时将初始码片计数初始二级码计数和初始电文比特计数发送到接口寄存器中, 当系统开始工作后, 扩频码 RAM 二级码 RAM 和电文 RAM 在码数控振荡器 (numerical controlled oscillator, NCO) 累加器最高位时钟的控制下输出当前码片和当前比特至 3 级移位寄存器中, 然后对应位进行异或运算, 再根据不同的码片组合进行码片波形的选取, 最后和载波波形相乘输出已调信号图 1 GNSS 信号生成原理框图

1.1 扩频码生成现在的卫星导航系统中, 扩频码通常是基于 M 序列的, 可以由线性反馈移位寄存器 (linear feedback shift register,lfsr) 生成, 这在 FPGA 中是非常容易实现的但是在 Galileo 系统中,E5a-I E5a-Q E5b-I 和 E5b-Q 的扩频码不但可以通过 LFSR 产生, 还可以在伪随 [6] 机存储码序列中选取

位写时钟为 DSP 的外部存储器接口 (external memory interface,emif) 时钟 ECLKOUT, 写使能为通道片选信号扩频码 RAM 地址 DSP 片选信号和 EMIF 写使能信号的合成信号, 读时钟为码 NCO 累加器的最高位 DSP 将扩频码发送到扩频码 RAM 的同时也将扩频码长扩频码速率控制字扩频码相位控制字初始码片计数等参数发送到接口寄存器中,

2 二级码生成二级码生成和扩频码的生成类似在系统开始工作前,DSP 将二级码发送到 FPGA 中的二级码 RAM 中存储, 同时将二级码长初始二级码码片计数发送到接口寄存器中图 3 为二级码产生的示意图图 3 二级码生成示意图 GPS 的 TMBOC 信号的二级码长为 1 800 [7], 其余信号的二级码长通常都在 100 以下, 二级码 RAM 的大小可以根据二级码长确定

3 1.1 扩频码生成现在的卫星导航系统中, 扩频码通常是基于 M 序列的, 可以由线性反馈移位寄存器 (linear feedback shift register,lfsr) 生成, 这在 FPGA 中是非常容易实现的但是在 Galileo 系统中,E5a-I E5a-Q E5b-I 和 E5b-Q 的扩频码不但可以通过 LFSR 产生, 还可以在伪随 [6] 机存储码序列中选取这些伪随机存储码每组包含 50 个码序列, 是通过一定的算法得出的优选序列, 并没有固定的生成方法因此, 考虑到 GNSS 信号生成平台的灵活性, 扩频码在 DSP 中生成, 既可以用软件产生, 也可以从外部输入图 2 扩频码生成示意图图 2 为扩频码生成示意图考虑到扩频码长度通常不超过 10230, 可以将扩频码 RAM 的大小设定为 32x320 比特, 写入为 32 位, 读出为 1 位写时钟为 DSP 的外部存储器接口 (external memory interface,emif) 时钟 ECLKOUT, 写使能为通道片选信号扩频码 RAM 地址 DSP 片选信号和 EMIF 写使能信号的合成信号, 读时钟为码 NCO 累加器的最高位 DSP 将扩频码发送到扩频码 RAM 的同时也将扩频码长扩频码速率控制字扩频码相位控制字初始码片计数等参数发送到接口寄存器中, 写地址产生模块和读地址产生模块则根据这些参数更新读写地址, 并输出当前码片计数值 FPGA 在每个读时钟读出一个扩频码片, 同时读地址指向下一个码片这里将初始码片计数作为读操作的初始地址, 读地址在每个时钟加 1, 当地址达到扩频码长时置为 0, 依次循环, 也就是说每个读地址对应一个扩频码码片, 因此将当前读地址作为码片计数输出 1.2 二级码生成二级码生成和扩频码的生成类似在系统开始工作前,DSP 将二级码发送到 FPGA 中的二级码 RAM 中存储, 同时将二级码长初始二级码码片计数发送到接口寄存器中图 3 为二级码产生的示意图图 3 二级码生成示意图 GPS 的 TMBOC 信号的二级码长为 [7], 其余信号的二级码长通常都在 100 以下, 二级码 RAM 的大小可以根据二级码长确定这里将二级码 RAM 的大小设为 32x1, 即一个 32 位寄存器, 实际只使用 20 比特写入为 32 位, 读出为 1 位二级码 RAM 的读时钟为扩频码 NCO 累加器的最高位, 二级码的输出则由读地址控制读地址产生模块将初始二级码码片计数作为初始读地址, 当扩频码计数值达到一个二级码码片周期时, 二级码的地址加 1, 当二级码计数达到二级码长时, 地址置为 0, 依此循环如果信号中不含二级码, 只需将二级码 RAM 中的数据全部置 1 即可 1.3 导航电文生成导航电文是由 DSP 按照电文的帧格式生成导航电文序列, 再发送到 FPGA 的电文 RAM

中存储, 但是由于导航电文的长度较长, 一次性存储所有的电文需要的存储量较大, 因此采用 RAM 存储 DSP 定时更新的方案因为电文的速率较低, 因此在信号生成过程中更新电文是可行的导航电文产生示意图如图 4 所示图 4 导航电文生成示意图为了完成导航电文的定时更新, 电文 RAM 由两个 RAM 组成, 大小同为 32x16 比特, 每个 RAM 可存储一个子帧的电文, 两个

即读地址指向 RAM B), 电文请求标志生效,DSP 一旦检测到电文请求标志, 则发送下一子帧的电文到 RAM A 中, 如此每读完一个 RAM 就更新一次电文 1.

4 中存储, 但是由于导航电文的长度较长, 一次性存储所有的电文需要的存储量较大, 因此采用 RAM 存储 DSP 定时更新的方案因为电文的速率较低, 因此在信号生成过程中更新电文是可行的导航电文产生示意图如图 4 所示图 4 导航电文生成示意图为了完成导航电文的定时更新, 电文 RAM 由两个 RAM 组成, 大小同为 32x16 比特, 每个 RAM 可存储一个子帧的电文, 两个 RAM 乒乓工作电文 RAM 的写为 32 位, 读为 1 位在系统开始工作前,DSP 向两个电文 RAM 分别发送一个子帧的导航数据, 同时将电文子帧长度和初始比特计数发送到接口寄存器中, 读地址产生模块根据初始比特计数产生信号生成初始读地址 ; 系统开始工作后, 读地址产生模块根据扩频码码片计数和码段计数更新读地址, 读地址从 RAM A 开始, 当 RAM A 的导航电文读完后 ( 即读地址指向 RAM B), 电文请求标志生效,DSP 一旦检测到电文请求标志, 则发送下一子帧的电文到 RAM A 中, 如此每读完一个 RAM 就更新一次电文 1.4 码片成形 GNSS 信号在卫星上产生时, 通常为矩形脉冲信号, 其带宽为无限, 而接收机接收到的信号则是带限信号, 时域会得到扩展, 因此在 GNSS 信号生成时需要进行码片成形理论上, 经过成形的码片波形时域上是无限宽的, 但是其时域扩展在一个码片内迅速衰减, 因此设计中可以只考虑当前码片和当前码片扩展到前后相邻码片的码片波形, 也就是对成形后的码片进行了截断, 这意味这在频域对矩形脉冲进行截短的窗函数不再是理想矩形, 也与实际的滤波器是相符的这里将当前码片的波形和前后码片扩展至当前码片的波形进行叠加以输出实际的码片波形图 5 为码片成形示意图图中有三个只读存储器 (read-only memory,rom), 分别存储在当前码片和扩展至相邻码片的码片波形, 波形 ROM 根据码 NCO 的输出相位输出波形值扩频码二级码和电文数据异或后输入到三级移位寄存器中, 根据移位寄存器的值来选择波形输出的符号, 若码片为 0, 则输出正波形, 若码片为 1, 则输出负波形, 然后将三个码片波形值相加输出图 5 码片成形示意图 2 BOC 信号生成 BOC 信号通常简单记做 BOC(m,n),m 和 n 分别代表了子载波速率和扩频码速率 [8] 根据 BOC 信号定义可知比值 2m/n 代表了每个码片内的子载波半周期数, 如对于 BOC(1,1) 信

5 号,2m/n 为 2, 表示每个码片内包含 1 个子载波周期 ; 对于 BOC(10,5) 信号,2m/n 为 4, 表示每个码片内包含 2 个子载波周期 ; 对于 BOC(3,2) 信号,2m/n 为 3, 表示每个码片内包含 1.5 个子载波周期根据 2m/n 是偶数还是奇数, 可以将 BOC 信号分成两种 2.1 2m/n 为偶数的 BOC(m,n) 信号生成 2m/n 为偶数的 BOC(m,n) 信号的生成比较简单, 只需将码片波形 ROM 中存储的波形数据换成相应的一个码片内的子载波波形即可如要产生正弦 BOC(1,1) 信号, 波形 ROM 中存储如图 6 中所示的波形数据 ; 若要产生余弦 BOC(1,1) 信号, 波形 ROM 中存储如图 7 中所示的波形数据 unshaped shaped 0.5 amplitude chip 图 6 码片成形前后正弦 BOC(1,1) 信号码片的时域波形 unshaped shaped 0.5 amplitude 图 m/n 为奇数的 BOC(m,n) 信号产生 chip 码片成形前后余弦 BOC(1,1) 信号码片的时域波形 2m/n 为奇数的 BOC(m,n) 信号的产生不能采用 2m/n 为偶数的 BOC(m,n) 信号的产生方法 2m/n 为偶数的 BOC(m,n) 信号子载波波形可以认为是波形 ROM 中存储波形的周期扩展, 而 2m/n 为奇数的 BOC(m,n) 信号的子载波波形不同于波形 ROM 中存储波形的周期扩展, 如图 8 所示,(a) 为 2 个码片内的子载波波形,(b) 为波形 ROM 中存储波形的周期扩展, 可见两者并不相同, 但是只要将 (b) 中第二个码片内的波形进行翻转即可得到和 (a) 相同的子载波波形因此,2m/n 为奇数的 BOC(m,n) 信号在生成时, 只要将波形 ROM 输出的波形值每隔一个码片翻转一次即可考虑到波形 ROM 中的存储量较大, 为了节省资源, 可以等效的每隔一个码片将控制波形 ROM 输出的码片组合取反图 8 子载波波形和波形 ROM 输出波形比较图 9 是 2m/n 为奇数的 BOC(m,n) 信号生成示意图, 图中虚线框为增加的部分,SEL 为二选一选择器的控制信号, 可以将码 NCO 最高位扩展一位, 将其作为 SEL 控制信号

图 9 2m/n 为奇数的 BOC(m,n) 信号生成 3 CBOC(6,1,1/11) 信号生成同样,CBOC(6,1,1/11) 信号的生成也比较简单, 和 2m/n 为偶数的 BOC(m,n) 信号的生成方法相同,

5 3 chip 图 10. 码片成形前后正弦 CBOC(6,1,1/11) 信号码片的时域波形 2 1.5 unshaped shaped 1 0.5 amplitude 0-0.5-1 -1.5-2 0 0.5 1 1.

5 3 chip 图 11 码片成形前后余弦 CBOC(6,1,1/11) 信号码片的时域波形 4 TMBOC(6,1,4/33) 信号产生 [9] TMBOC(6,1,4/33) 的子载波由 BOC(1,1) 和

6 图 9 2m/n 为奇数的 BOC(m,n) 信号生成 3 CBOC(6,1,1/11) 信号生成同样,CBOC(6,1,1/11) 信号的生成也比较简单, 和 2m/n 为偶数的 BOC(m,n) 信号的生成方法相同, 只需将波形 ROM 中存储的波形数据替换为图 10 或图 11 中所示的成形波形数据即可 unshaped shaped 0.5 amplitude chip 图 10. 码片成形前后正弦 CBOC(6,1,1/11) 信号码片的时域波形 unshaped shaped amplitude chip 图 11 码片成形前后余弦 CBOC(6,1,1/11) 信号码片的时域波形 4 TMBOC(6,1,4/33) 信号产生 [9] TMBOC(6,1,4/33) 的子载波由 BOC(1,1) 和 BOC(6,1) 两种信号的子载波时分复用而来使用如图 12 所示的信号生成方法, 这里使用两种波形 ROM, 分别存储 BOC(1,1) 和 BOC(6,1) 信号波形数据 ; 设计一个 0~32 计数器和一个译码器, 译码器的输出 SEL 在输入计数值为和 29 时输出 1, 其他计数值时输出 0,SEL 控制选择器的输出波形数据输出后再按照 2.4 节中的方法进行前后码片和当前码片波形值的叠加输出图 12 TMBOC(6,1,4/33) 信号生成示意图

7 5 结束语按照上述方法设计制作了基于 FPGA 的 GNSS 信号生成平台, 采用文献 [10] 中给出的 Compass-M1 卫星 E2 频点的扩频码生成多项式和二级码进行了信号生成扩频码为 Gold 码, 码速率为 MHz, 码长为 2 046, 重复周期为 1 ms, 采用 11 级线性移位反馈寄存器产生, 调制方式为 BPSK(2), 二级码为 20 比特的 NH 码 [ ], 导航电文则按照 GPS 导航电文的格式生成生成结果表明, 这种方法简单可行, 生成信号准确有效, 可灵活配置本文给出了一种基于 FPGA 的 GNSS 信号生成方法,FPGA 在信号参数的控制下分别生成扩频码二级码导航电文, 然后进行码片成形和信号调制合成输出已调信号通过对信号参数进行控制, 以及改变码片波形 ROM 的存储波形和码片成形结构, 便可灵活实现 BPSK BOC CBOC 和 TMBOC 等不同 GNSS 信号的生成参考文献 ( 请作者仔细区别例子中作者人数期刊有无卷号论文题目及刊名英文字母的大小写的细微差别 ) 期刊论文 : [1] 陆娟, 常青, 张其善, 等. 十二通道 GPS 信号发生器方案研制 [J]. 武汉大学学报信息科学版,2003,29(4): ( 作者多余 3 个时 ) [2] 董立桥, 周雪娟. 基于 PXI 架构的导航信号模拟器设计 [J]. 无线电工程,2011, 41(3): [3] 郭海荣, 杨升, 何海波. 导航卫星原子钟频率漂移特性分析 [J]. 测绘通报,2007(6):5-10.( 无卷号时 ) [4] GAO Xinxin, CHEN Alan, LO S, et al.compass-m1 broadcast codes in E2, E5b, and E6 frequency bands[j].ieee Journal of Selected Topics in Signal Processing, 2009, 3(4): 书 : [5] 谭树森. 广义 RDSS 全球定位报告系统 [M].3 版 ( 第一版可以省略版本号 ). 北京 : 国防工业出版社,2011: 页码范围. [6] BORRE K, AKONS M D, BERTELSEN N. 软件定义的 GPS 和伽利略接收机 [M]. 杨东凯, 张飞舟, 张波, 等译.2 版. 北京 : 国防工业出版社,2009: 页码范围. 学位论文 : [7] 黄继先. 基于 R- 树的空间数据库查询技术研究 [D]. 长沙 : 中南大学,2005: 页码范围. [8] SUN Debo( 或者 SUN D B)Ultra-tight GPS/Reduced IMU for land vehicle navigation[d].calgary:university of Calgary,2010. 论文集中析出文献 : [9] ZHAO Yun, KOU Yanhong, HUANG Zhigang.Multi-constellation GNSS signal simulator and its software implementation[c]//the Institute of Navigation ( 编辑论文的责任者 ).Proceedings of the 22nd International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2009)( 会议论文集名称 ).Manassas,Virginia( 会议论文集出版地 ):The Institute of Navigation, Inc.( 会议论文集出版者 ),2009: [10] 王君, 高鹏, 富立. 基于速度辅助跟踪环路的 GNSS/INS 超紧组合导航系统研究 [C]// 中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心. 第二届中国卫星导航学术年会 (CSNC 2011) 论文集. 北京 : 中国卫星导航学术年会,2011: 基金项目 : 国家自然科学基金 ( ); 新世纪优秀人才支持计划 (NCET ); 江苏高

8 校优势学科建设工程 (SZBF B35) 第一作者简介 : 张三丰 (1985-), 男 ( 回族 )( 汉族可以省略 ), 陕西三原人, 工程师, 主要从事卫星导航和软件测试工作通信作者简介 : 黄蓉 (1972-), 女 ( 蒙古族 ), 浙江杭州人, 博士, 教授, 主要从事 GNSS 接收机研发数据挖掘等工作编辑部留存信息 ( 示例 ): 手机 XXXX; 邮箱 :dhdwxb@casm.ac.cn; 身份证号 : XXXX( 发放稿酬必须 ) 通讯地址 : 北京市海淀区北太平路 16 号

1 VLBI VLBI 2 32 MHz 2 Gbps X J VLBI [3] CDAS IVS [4,5] CDAS MHz, 16 MHz, 8 MHz, 4 MHz, 2 MHz [6] CDAS VLBI CDAS 2 CDAS CDAS 5 2

1 VLBI VLBI 2 32 MHz 2 Gbps X J VLBI [3] CDAS IVS [4,5] CDAS MHz, 16 MHz, 8 MHz, 4 MHz, 2 MHz [6] CDAS VLBI CDAS 2 CDAS CDAS 5 2 32 1 Vol. 32, No. 1 2014 2 PROGRESS IN ASTRONOMY Feb., 2014 doi: 10.3969/j.issn.1000-8349.2014.01.07 VLBI 1,2 1,2 (1. 200030 2. 200030) VLBI (Digital Baseband Convertor DBBC) CDAS (Chinese VLBI Data Acquisition