基于TMBOC信号的新型GNSS信号模拟器的设计

何安科,纪元法,孙希延,符 强

(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004)

基于TMBOC信号的新型GNSS信号模拟器的设计

何安科,纪元法,孙希延,符 强

(桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004)

为模拟GPS L1C频点的TMBOC信号,提出一种基于FPGA+DSP硬件平台的TMBOC信号生成方法,并给出了FPGA和DSP程序设计方案。FPGA进行数字中频信号的调制,包括12个独立通道的信号调制,DSP生成FPGA信号调制通道中的参数、导航电文和频率控制字。在Modelsim上仿真TMBOC信号,并通过频谱仪测试其频谱,实验结果表明, TMBOC信号模拟器能生成稳定的TMBOC信号。

TMBOC;GNSS信号模拟器;FPGA;DSP

二进制偏移载波(binary offset carrier,简称BOC)系列调制的提出是为了提高频段的利用效率,而MBOC调制设计的目的是取代最初的标准BOC调制。MBOC调制是在BOC调制的基础上衍生出来的调制方式,具有更高的码跟踪精度和更好的抗多径性能[1]。MBOC信号根据其实现方式分为复合二进制偏移载波(composite binary offset carrier,简称CBOC)调制信号和时分复用二进制偏移载波(time multiplexed binary offset carrier,简称TMBOC)调制信号[2]2种类型。伽利略导航系统以及北斗二代导航系统采用CBOC调制方式,GPS导航系统采用TMBOC调制方式。

GPS导航系统计划把TMBOC调制信号作为未来L1C频段的公共服务信号。为了给未来GPS接收机的设计和测试提供便利,设计一种新型的GNSS信号模拟器,它能模拟生成真实的GPS卫星信号,可在室内和室外使用。此模拟器生成的信号具有较高的能量,能为接收机的测试提供稳定的信号源。在满足信号稳定的条件下,对于FPGA设计中复杂的小数计算,采用更为简单的方式实现,以减轻FPGA的设计难度,同时减少对FPGA资源的消耗。

1 TMBOC调制原理

不同于传统的BOC信号,MBOC信号具有数据通道和导频通道2个通道,其中导频通道不调制任何导航电文信息。2个通道调制的伪随机码不同,但同一颗卫星信号的数据通道与导频通道具有相同的载波多普勒频率和码相位[3]。

作为一种MBOC的实现方式,TMBOC信号一般由2种不同的BOC信号在时域上按照一定的方式复用而成。GPS导航系统的L1C频段的新型信号采用TMBOC调制实现。

BOC导航信号有2种记法,一种记法为BOC(fs,fc),其中fs、fc分别为子载波的频率、伪码的频率。另一种更常用的记法为BOC(α,β),其中α、β分别为子载波频率相对于参考频率的比例值、伪码频率相对于参考频率的比例值,参考频率为1.023 MHz。TMBOC信号由2种BOC信号混合调制而成,可用TMBOC(α,β,μ)表示。其中:α为第1个BOC信号的子载波频率相对于参考频率的比例值;β为第2个BOC信号的子载波频率相对于参考频率的比例值;μ为第1个BOC信号占总信号的功率值[4]。参考频率通常设置为1.023 M Hz,那么意味着TMBOC(6,1,1/11)信号是由BOC(6,1)信号和BOC(1,1)信号组成。其中:BOC(6,1)信号的频率为6.138 MHz;BOC(1,1)信号的频率为1.023 MHz。BOC(6,1)信号的功率占TMBOC(6,1,1/ 11)信号总功率的1/11。

在GPS导航系统中,TMBOC(6,1,1/11)信号调制体制如图1所示。数据通道与导频通道的子载波不同,导航电文仅被调制在数据通道上。数据通道采用单一的BOC(1,1)信号调制,导频通道采用TMBOC(6,1,4/33)信号调制,TMBOC(6,1,4/33)信号由BOC(1,1)信号和BOC(6,1)信号组合而成,TMBOC(6,1,1/11)信号在数据通道上分配25%的功率,在导频通道上分配75%的功率,最终由2个通道叠加而成。

图1 TMBOC(6,1,1/11)信号调制体制Fig.1 Modulation scheme of TMBOC(6,1,1/11)signal

TMBOC信号的数学模型可表示为:

其中:Ra=1.023 M Hz为BOC(1,1)信号子载波的

频率;Rb=6.138 MHz为BOC(6,1)信号子载波的

频率;T1为一个伪码周期内BOC(1,1)信号子载波所占的单元;T2为一个伪码周期内BOC(6,1)信号子载波所占的单元。

图2为MBOC(6,1,1/11)的TMBOC(6,1,4/ 33)时域实现方式。从图2可看出,在导频通道中, TMBOC(6,1,4/33)信号由BOC(1,1)信号和BOC (6,1)信号在时域上按一定的方式复合而成:在每33个伪码码片中,第1、5、7、30号位置上的码片调制BOC(6,1)信号的子载波,而其他位置上的码片均调制BOC(1,1)信号的子载波。TMBOC(6,1,4/33)信号的时域波形包含了4/33的BOC(6,1)信号的子载波和29/33的BOC(1,1)信号的子载波。在数据通道中,所有伪码码片调制BOC(1,1)信号的子载波。

图2 MBOC(6,1,1/11)的TMBOC(6,1,4/33)时域实现方式Fig.2 TMBOC(6,1,4/33)implementation of MBOC(6,1,1/11)

TMBOC(6,1,1/11)信号的功率谱密度的表达式为:

数据通道和导频通道的功率谱密度分别为:

由式(4)～(6)推得,TMBOC(6,1,1/11)信号的功率谱密度为:

由式(7)可知,TMBOC(6,1,1/11)信号的功率谱可由BOC(1,1)信号和BOC(6,1)信号的功率谱组成,经BOC(6,1)子载波调制的信号占信号总功率的1/11,即信号TMBOC(6,1,1/11)中的“1/11”的定义描述。

BOC(fs,fc)信号的功率谱密度计算公式[5]为:

通过Matlab仿真得到BOC(1,1)信号和TMBOC(6,1,1/11)信号的功率谱密度如图3所示。对比TMBOC(6,1,1/11)信号和BOC(1,1)信号的功率谱密度可看出,2种信号的功率谱密度非常相似,但TMBOC(6,1,1/11)信号的高频分量更加丰富,这是因为TMBOC(6,1,1/11)信号中含有子载波频率较高的BOC(6,1)信号分量。此外,在±6 MHz处, TMBOC(6,1,1/11)信号的幅值明显高于BOC(1,1)信号的幅值。

图3 BOC(1,1)和TMBOC(6,1,1/11)的功率谱密度Fig.3 PSD of BOC(1,1)and TMBOC(6,1,1/11)

2 TMBOC调制信号模拟器设计

GNSS信号模拟器能够模拟生成GNSS卫星发射的真实信号,常被用于实验室环境下GNSS接收机的测试。传统的GNSS信号模拟器只能生成BPSK调制的信号,不能生成新的BOC或TMBOC信号。为了多模接收机设计和测试的方便,设计一种能够生成新的TMBOC信号的新型模拟器。虽然此设计是基于美国的GPS,但也能兼容其他的GNSS,如欧盟的Galileo系统和中国的北斗卫星导航系统。

GNSS信号模拟器的设计与实现基于FPGA+ DSP硬件平台。上位机界面需在电脑上操作,它能让用户方便地控制GNSS信号模拟器。FPGA主要负责数字信号的合成,由载波信号生成模块、伪码信号生成模块、导航电文读取模块、时序控制模块和数据通信模块6部分组成。DSP的主要功能:1)根据载体轨迹参数进行GPS导航电文的编码;2)计算卫星位置和用户位置;3)计算3种卫星信号在大气传播中的延迟和多普勒频移参数;4)进行高精度NCO的模拟;5)实现NCO误差的实时修正;6)建立各种误差模型。GNSS信号模拟器系统设计的整体结构如图4所示。

图4 GNSS信号模拟器系统设计的整体结构Fig.4 Overall structure of GNSS signal simulator

2.1 FPGA设计

GPS卫星信号模拟器系统设计中的数字中频信号的生成主要由FPGA完成。图5为FPGA程序设计的整体结构。从图5可看出,FPGA能够同时模拟12个独立通道的卫星信号,每个通道具有相同的结构且相互独立,主要包括载波NCO模块、码NCO模块、TMBOC NCO模块和导航电文模块4个子模块。载波模块采用直接数字频率合成(DDS)生成中频载波;码NCO模块生成GPS的伪随机噪声(PRN)码,也称测距码;TMBOC NCO模块生成TMBOC子载波的基带码,用于实现TMBOC调制;导航电文模块接收DSP发送的导航电文,并将其缓存,用于信号的调制。导航电文、PRN码和TMBOC子载波均为单极性非归零码[6],用高电平和低电平(常用零电平)分别表示二进制信息“1”和“0”,可用异或操作进行混合调制。基于图1的方法将3种信号混合,混合后的信号通过二进制相移键控(BPSK)对中频载波调制得到数字TMBOC中频信号[7]。将多路通道信号叠加,经DA将数字中频信号转化为模拟信号,最后模拟信号通过上变频模块得到射频信号,经天线发射出去。

图5 FPGA程序设计的整体结构Fig.5 Overall structure of FPGA program

式(1)的调制系数中有复杂的小数,若直接用于FPGA中,会增大FPGA的设计难度,且增加资源消耗,为此,提出一种新的方法处理这些小数在FPGA中的计算。MBOC的中频数字信号的表达式为:

其中sin(wIFt)为数字中频载波。从式(10)可看出,将调制系数3/2和1/2分别乘以sin(wIFt)正弦波幅值信息的计算一起放在Matlab中处理,可避免小数在FPGA中的运算,则式(10)可改写为:

其中:NP(wIFt)为导频通道载波信号;ND(wIFt)为数据通道载波。二者可分别表示为:

由式(11)～(13)可知,数据通道和导频通道的载波生成是相互独立的,可通过DDS生成。首先把2个通道的测距码、子载波、导航电文作异或处理,然后进行载波的BPSK调制,再把2个通道的信号相加得到TMBOC信号。作异或处理时,测距码与子载波异或后取反,可得到正确的测距码与子载波调制的整合码。

DDS[8]是一种从相位角度出发的频率合成技术。DDS工作原理如图6所示。相位累加器通过调整频率控制字的大小进行相位累加。波形存储器在FPGA中用ROM核实现,而其存储的正弦波查找表由Matlab生成。相位累加器的输出作为波形存储器的地址,使波形存储器输出对应的幅值,再经数模转换输出阶梯波形,最后用低通滤波器平滑阶梯波形,输出所需频率的连续、平滑波形。

图6 DDS工作原理Fig.6 Principle of DDS technique

相位累加器溢出的频率即为DDS输出信号的频率,通过改变频率控制字K的值,可实时控制输出信号的频率。设系统所需的输出波形频率为fout,系统的工作时钟频率为fclock,则fout的表达式为[9]:

由式(14)可知,系统的最低输出频率就是DDS的最小频率步进量,通过增加相位累加器的长度N,可提高输出信号的频率分辨率。

采用以上方法将TMBOC信号分为2个独立的通道,DDS生成每一个通道的载波波形,然后用CL1C-P(t)SL1C-P(t)、DL1C-D(t)CL1C-D(t)SL1C-D(t)处理得到组合码,通过BPSK对2个通道的载波波形进行调制。通过Matlab将调制系数包含在载波波形的幅值信息中,避免了FPGA中复杂小数的计算,同时减少了FPGA的资源消耗。

2.2 DSP设计

DSP部分主要负责生成FPGA信号调制通道的相关参数、导航电文的生成和频率控制字的计算与调整。DSP程序设计的整体结构如图7所示。

DSP的工作流程:

1)DSP首先接收上位机发来的系统参数、星历参数和场景仿真数据,然后根据用户设置的载体轨迹参数计算载体的坐标。

2)根据星历参数和载体的运动轨迹,计算所有卫星的空间位置坐标,并判断实时的可见卫星数。

3)对于可见卫星,实时计算载体和卫星之间的伪距以及伪距变化率,同时计算初始码相位、载波相位、码频率控制字和载波频率控制字。

4)对星历文件进行电文编码,计算并建立各种误差模型,生成对应的误差仿真信号。

5)DSP生成的导航电文发给FPGA进行最终的信号调制,频率控制字在DSP与FPGA间相互反馈, FPGA接收DSP发送的频率控制字,根据频率控制字更新它的NCO模块,并发送相关功能的参数给DSP,DSP根据反馈的参数调整频率控制字并发给FPGA。此反馈过程在GNSS信号模拟器中重复运行。

图7 DSP程序设计的整体结构Fig.7 Overall structure of DSP program

3 实物设计与测试结果

GNSS卫星信号模拟器硬件平台的关键部分是如图8所示的基带信号处理核心板,核心板上有FPGA芯片和DSP芯片2个主芯片。FPGA芯片采用Altera公司CycloneII系列的EP2C70F674C8芯片,该芯片的门数资源比较丰富,能满足GPS卫星信号模拟器的信号处理和逻辑控制的要求。由于在信号处理过程中需进行大量、高速的浮点运算,DSP芯片采用TI公司的高速浮点型TMS320C6713B芯片,其最大工作频率可达300 MHz[10]。

图8 基带信号处理核心板Fig.8 Baseband signal processing core board

FPGA设计的Modelsim仿真结果如图9所示。端口code_data_channel和code_pilot_channel分别输出数据通道和导频通道的TMBOC基带码,它们是自身通道的测距码与子载波做异或并取反后得到的组合码。端口signal_data_channel、signal_pilot_ channel、modulated_signal分别输出式(11)中的数据通道信号、导频通道信号及两通道叠加后的信号。从图9可看出,信号调制符合设计的理论结果,且PRN码、子载波、导航电文的时序是严格对齐的,验证了设计的合理性。

图9 FPGA设计的Modelsim仿真结果Fig.9 Modelsim simulation result of FPGA design

图10为频谱仪观察到的TMBOC信号的频谱。从图10可看出,输出的TMBOC信号的频谱特性与TMBOC调制原理的理论分析结果相符合,验证了设计的正确性。此外,TMBOC信号模拟器生成的信号具有较高的能量,其频谱峰值达―20 dBm,表明GNSS信号模拟器能够为实验室环境下接收机的测试提供一个稳定的信号源。图11为频谱仪观察到的传统BPSK信号的频谱。由图10、11对比可看出,传统BPSK信号的能量集中在中心频率附近,而TMBOC信号的能量分布于中频频率的两侧,2种信号的频谱重叠部分比较少,大大减少了两者相互干扰的几率,实现了频谱分离。

图10 TMBOC信号的频谱Fig.10 PSD of TMBOC signal

图11 BPSK信号的频谱Fig.11 PSD of BPSK signal

4 结束语

在分析TMBOC信号数学模型的基础上,设计并实现了在FPGA+DSP硬件平台上的TMBOC信号模拟器。实验结果表明,TMBOC信号的频谱特性与理论相符合,验证了TMBOC信号模拟器设计的正确性,可为导航接收机的研究提供信号源,也可为卫星信号模拟器的研制提供参考。

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编辑:张所滨

Design of a novel GNSS signal simulator based on TMBOC signal

He Anke,Ji Yuanfa,Sun Xiyan,Fu Qiang
(School of Information and Communication Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

In order to simulate the TMBOC signal of GPS L1C frequency band,a TMBOC signal generated method based on FPGA and DSPis proposed,and the program design scheme of FPGA and DSPis presented.The FPGA modulate digital intermediate frequency signal with 12 independent channels,the parameters used in the FPGA channels,navigation message, frequency control words are generated by DSP.The TMBOC signal is simulated by Modelsim,and its spectrum is tested by the spectrum analyzer.The experimental results show that the stable TMBOC signal can be generated by TMBOC signal simulator.

TMBOC;GNSS signal simulator;FPGA;DSP

TN967.1

:A

:1673-808X(2015)04-0269-06

2015-03-16

国家自然科学基金(61162007,61271284,61362005);广西自然科学基金(2013GXNSFA019004,2014GXNSFAA118352,

2014GXNSFBA118280);广西教育厅科研项目(YB2014143);广西无线宽带通信与信号处理重点实验室主任基金(GXKL0614102)

纪元法(1975―),男,山东莘县人,教授,博士,研究方向为信号处理、卫星导航。E-mail:jiyuanfa@163.com

何安科,纪元法,孙希延,等.基于TMBOC信号的新型GNSS信号模拟器的设计[J].桂林电子科技大学学报,2015,35(4):269-274.