0 引言

　　隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建立和發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航在我國得到廣泛應(yīng)用。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為一個國家國防力量的重要體現(xiàn)，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展趨勢也由單一GPS技術(shù)向多系統(tǒng)兼容、互操作方向發(fā)展。將BDS和GPS組合起來，可以增加接收機的觀測量，提高導(dǎo)航定位的精度和服務(wù)質(zhì)量。衛(wèi)星信號模擬器可以精確生成和復(fù)現(xiàn)不同條件下接收機射頻前端接收到的衛(wèi)星信號，為導(dǎo)航接收機的設(shè)計和研發(fā)提供可靠、準(zhǔn)確和易用的測試環(huán)境，從而提高接收機的研發(fā)效率，減少研發(fā)測試費用[1]。在軍事領(lǐng)域，接收機被安裝在飛機、導(dǎo)彈和火箭等高動態(tài)載體上，需要借助衛(wèi)星信號模擬器進行測試。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　本文所設(shè)計的衛(wèi)星信號模擬器主要由DSP信息處理模塊、FPGA信號生成模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、射頻上變頻模塊、Flash、SDRAM等模塊組成。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

　　DSP信息處理模塊主要實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航算法。FPGA信號生成模塊主要實現(xiàn)數(shù)字中頻信號合成，F(xiàn)PGA通過DSP的外部存儲器接口(EMIF)與DSP相連，F(xiàn)PGA作為DSP外接的異步存儲器與DSP進行數(shù)據(jù)交互。D/A轉(zhuǎn)換模塊將FPGA輸出的數(shù)字中頻信號轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號，本設(shè)計有3路D/A轉(zhuǎn)換模塊，一路D/A生成GPS L1和BDS B1I頻點的模擬中頻信號，另外2路D/A分別輸出BDS B2I和BDS B3頻點的模擬中頻信號。3路射頻上變頻電路分別將D/A輸出的模擬中頻信號上變頻至對應(yīng)頻點的射頻信號。Flash芯片用于存儲DSP引導(dǎo)裝載所需的代碼和系統(tǒng)初始化時所需參數(shù)。SDRAM用于存儲DSP程序中占用空間大且使用頻率低的變量和數(shù)組。

2 硬件電路設(shè)計

　　2.1 D/A轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計

　　為了將生成的BDS、GPS多頻點數(shù)字中頻信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，需要多路D/A轉(zhuǎn)換電路來完成。本系統(tǒng)選用AD9742實現(xiàn)中頻信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換。AD9742是ADI公司的一款低功耗、高性能、量化精度為12 bit的D/A轉(zhuǎn)換芯片，其最高采樣速率可達165 MS/s。本系統(tǒng)采用3片AD9742實現(xiàn)GPS L1和BDS B1、B2、B3頻點中頻信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換，其中GPS L1和BDS B1I信號從一路DA輸出。本系統(tǒng)GPS L1和BDS B1、B2、B3信號的中頻頻率分別為20.42 MHz、6.098 MHz、7.140 MHz和18.520 MHz。D/A轉(zhuǎn)換模塊電路示意圖如圖2所示。

圖2  D/A轉(zhuǎn)換模塊電路示意圖

　　2.2 射頻上變頻模塊電路設(shè)計

　　射頻上變頻模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，上變頻模塊主要實現(xiàn)信號調(diào)制、上變頻、功率放大、功率調(diào)節(jié)等功能。本文選用ADRF6755作為上變頻模塊。ADRF6755集成正交調(diào)制器、頻率合成器和可編程衰減器，輸出信號頻率范圍為100 MHz～2 400 MHz，滿足本設(shè)計輸出信號頻率的要求。ADRF6755片內(nèi)集成有一個數(shù)字控制輸出衰減器，功率調(diào)節(jié)范圍為47 dB，步進為1 dB。本設(shè)計中信號采用差分方式從I路輸入；通過SPI接口對片內(nèi)寄存器進行設(shè)置，可以實現(xiàn)不同頻率的信號輸出。GPS L1和BDS B1、B2、B3信號的射頻頻率分別為1 575.42 MHz、

　　1 561.098 MHz、1 207.140 MHz和1 268.520 MHz，對應(yīng)本振頻率分別為1 555 MHz、1 555 MHz、1 200 MHz和1 250 MHz。本設(shè)計的上變頻模塊電路示意圖如圖3所示。

圖3  上變頻模塊電路示意圖

　　2.3 DSP與FPGA接口設(shè)計

　　DSP通過EMIF接口與FPGA進行通信，同時，將DSP的外部中斷信號、多通道緩沖串行口（MCBSP0）信號與FPGA的I/O引腳相連，以實現(xiàn)DSP與FPGA之間的靈活控制及通信。DSP與FPGA電路連接示意圖如圖4所示。

圖4  DSP與FPGA電路連接示意圖

　　圖4中，AOEN、AWEN、TCE信號為片選和使能信號，用于控制DSP與FPGA之間的讀寫時序；MCBSP0信號復(fù)位FPGA；EXTINT4和EXTINT5信號分別觸發(fā)DSP芯片的中斷4和中斷5。

3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　3.1 DSP信息處理模塊軟件設(shè)計

　　DSP信息處理模塊主要完成系統(tǒng)初始化信息提取、信號生成參數(shù)計算和系統(tǒng)控制參數(shù)計算等功能。首先DSP接收上位機軟件下發(fā)的場景文件和星歷文件，并提取相關(guān)信息。然后根據(jù)場景文件生成載體運動軌跡；根據(jù)星歷文件中的星歷參數(shù)計算所有衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，判斷衛(wèi)星的可見狀況；實時計算可見衛(wèi)星和載體之間的偽距及偽距變化率，進而得到系統(tǒng)仿真起始時間的信號初始狀態(tài)，并計算出初始碼相位、初始載波相位、整數(shù)碼片數(shù)、碼頻率控制字和載波頻率控制字。分別對BDS和GPS進行電文編碼，并預(yù)存導(dǎo)航電文。DSP完成系統(tǒng)初始化計算后，發(fā)送通道狀態(tài)字給FPGA，F(xiàn)PGA開始生成信號。系統(tǒng)啟動以后，DSP實時更新信號生成參數(shù)，并通過EMIF與FPGA進行數(shù)據(jù)交互。DSP算法流程如圖5所示。

圖5  DSP算法流程圖

　　本設(shè)計采用數(shù)控振動器合成數(shù)字中頻信號，由于衛(wèi)星和用戶載體存在相對運動，存在多普勒頻率偏移；同理，測距碼和導(dǎo)航電文也存在多普勒頻移[2]。當(dāng)用戶處于高動態(tài)運動狀態(tài)時，多普勒頻移將對接收機的定位造成很大的影響。為實時模擬多普勒頻移，需要實時調(diào)整數(shù)控振蕩器的頻率控制字。本文以BDS B1I信號為例，介紹多普勒效應(yīng)對模擬器輸出信號頻率的影響。衛(wèi)星播發(fā)的B1I信號的頻率為1 561.096 MHz，由于衛(wèi)星和用戶接收設(shè)備存在相對運動，用戶接收到的B1I信號的頻率不精確為1 561.096 MHz。模擬器模擬的是接收機射頻前端接收到的衛(wèi)星信號[4]，因此模擬器輸出的射頻信號不固定為1 561.096 MHz，NCO頻率控制字K不是固定不變的，K隨中頻信號頻率變化而變化。假設(shè)衛(wèi)星和用戶接收設(shè)備不存在多普勒效應(yīng)，則頻率控制字Kbase的計算方法為[4]：

　　式中，IFB1I為設(shè)定的BDS B1I信號的中心頻率；fclk為系統(tǒng)時鐘頻率；N為NCO中相位累加器的位寬。假設(shè)NCO中設(shè)定的頻率控制字的更新間隔為Δt，本地接收機t時刻偽距為rt，則t時刻接收到的衛(wèi)星信號的發(fā)射時間ts(t)為：

　　本地接收機t+Δt時刻偽距為rt+Δt，則t+Δt時刻接收到的衛(wèi)星信號的發(fā)射時間ts(t+Δt)為：

　　用戶接收設(shè)備在Δt時間內(nèi)前后兩次接收到衛(wèi)星信號，而這兩次衛(wèi)星信號發(fā)射的時間間隔Δts為：

　　由此可得，Δt時間間隔內(nèi)載波頻率控制字和偽碼頻率控制字分別為：

　　式中，Kcarr表示載波頻率控制字，Kcode表示碼頻率控制字，fB1I表示BDS B1I信號偽碼速率。

　　3.2 FPGA信號生成模塊軟件設(shè)計

　　本設(shè)計中FPGA模塊主要功能包括偽碼生成、載波生成、偽碼調(diào)制、載波調(diào)制、系統(tǒng)時序控制和數(shù)字中頻信號合成。本文研制的衛(wèi)星信號模擬器FPGA模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6  FPGA模塊結(jié)構(gòu)框圖

　　FPGA模塊以通道為基本單元，總共包含48個信號通道，1～12號通道合成GPS L1信號，13～24號通道合成BDS B1I信號，25～36號通道合成BDS B2I信號，37～48號通道合成BDS B3信號。

　　系統(tǒng)初始化階段，F(xiàn)PGA在接收到DSP發(fā)送的載波NCO參數(shù)、碼NCO參數(shù)、導(dǎo)航電文和通道狀態(tài)字后，從通道狀態(tài)字中提取衛(wèi)星號并選擇對應(yīng)的信號通道，然后進行導(dǎo)航電文NH調(diào)制、偽碼調(diào)制、載波調(diào)制，合成與衛(wèi)星號相對應(yīng)頻段信號的偽碼和載波，最后將同一個頻段的多個多通道信號進行合成，生成數(shù)字中頻信號。同一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的FPGA各信號通道的模塊結(jié)構(gòu)基本相同，BDS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)FPGA信號通道的差異在于信號調(diào)制過程中BDS系統(tǒng)MEO衛(wèi)星信號需對導(dǎo)航電文進行NH碼調(diào)制，再進行偽碼調(diào)制；而GPS L1信號不需要進行NH調(diào)制。FPGA各模塊主要功能為：

　　(1)RTC時序控制模塊。衛(wèi)星信號模擬器要求時鐘嚴(yán)格同步，即各個芯片或者器件都必須同源。該模塊主要功能為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各模塊之間的工作，給DSP模塊提供中斷信號。

　　(2)載波NCO模塊。FPGA模塊采用數(shù)控振蕩器來生成衛(wèi)星信號的數(shù)字載波。本設(shè)計中將MATLAB軟件生成正余弦的幅值表存入FPGA的ROM核中，然后通過相位查詢表生成相應(yīng)頻率的載波信號[5]。

　　(3)碼NCO模塊。FPGA模塊采用數(shù)控振蕩器來生成衛(wèi)星信號偽碼。BDS和GPS衛(wèi)星的偽碼通過MATLAB軟件生成，偽碼序列存放在FPGA的 ROM核中，其中GPS系統(tǒng)的每個信號通道中的ROM核中都存儲有GPS系統(tǒng)32顆衛(wèi)星的偽碼表。

　　(4)信號調(diào)制合成模塊。信號調(diào)制的主要功能是實現(xiàn)各系統(tǒng)導(dǎo)航電文的讀取和同步，完成偽碼、導(dǎo)航電文和載波的調(diào)制，實現(xiàn)多路信號的合成，控制通道的狀態(tài)和配置等。本設(shè)計中選用12 bit的D/A模塊，這要求多個通道信號合成后為12 bit，需要對每個通道輸出數(shù)字中頻信號的高位進行擴展，在合成信號輸出至D/A模塊時，只綁定合成信號的高12 bit到D/A模塊的物理引腳。

　　(5)數(shù)據(jù)交互模塊。系統(tǒng)采用DSP模塊的EMIF方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。DSP和FPGA交互的數(shù)據(jù)主要包括：載波初始相位、載波頻率控制字、碼初始相位、碼頻率控制字和通道狀態(tài)字等。

4 測試結(jié)果

　　根據(jù)接收機定位解算的結(jié)果與模擬器預(yù)設(shè)的載體運動軌跡進行比較，根據(jù)接收機定位誤差的大小來驗證模擬器信號的正確性。模擬器模擬的載體位置緯度為北緯31°、東經(jīng)121°、海拔高度50 m，測試采用泰斗微電子科技有限公司生產(chǎn)的基帶、射頻一體化接接收模塊TD3020C，BDS B1I信號定位結(jié)果如圖7所示。由圖7分析可知，在緯度和經(jīng)度方向的定位誤差大概在2 m之內(nèi)，高度方向的定位誤差在5 m之內(nèi)。定位結(jié)果說明，本文所設(shè)計的衛(wèi)星信號模擬器工作正常，能正確模擬導(dǎo)航衛(wèi)星信號。

圖7  BDS B1I信號定位結(jié)果

5 結(jié)束語

　　為便于接收機的研發(fā)和測試，本文設(shè)計了一種BDS/GPS雙模多頻點衛(wèi)星信號模擬器，在DSP+FPGA硬件平臺上實現(xiàn)了系統(tǒng)功能。對系統(tǒng)功能進行了測試，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確模擬衛(wèi)星信號。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于導(dǎo)航儀、接收機生產(chǎn)廠商，也可以應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航科研院所等單位。

　　參考文獻

　　[1] 王海峰，張升康，王宏博，等．GPS/BDS組合導(dǎo)航態(tài)信號模擬器關(guān)鍵技術(shù)研究[J].宇航計測技術(shù)，2013，33(3)：17-22．

　　[2] 于厚鋼．高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號模擬器的基帶數(shù)字信號處理實現(xiàn)[D]．北京：北京郵電大學(xué)，2009．

　　[3] 李曉敏．GPS/BD雙模衛(wèi)星信號模擬器的數(shù)字信號實現(xiàn)[D]．北京：北京郵電大學(xué)，2013．　

　　[4] 趙軍祥．高動態(tài)智能GPS衛(wèi)星信號模擬器軟件數(shù)學(xué)模型研究[D]．北京：北京航空航天大學(xué)，2003．

　　[5] 保玲，佘世剛，周毅，等．應(yīng)用于數(shù)字鎖相環(huán)的NCO設(shè)計[J]．電子設(shè)計工程，2011，19(14)：160-162．