基于PXI架构的AltBOC信号模拟源设计与实现

陈 荣，舒 展

北京卫星导航中心，北京，100094



基于PXI架构的AltBOC信号模拟源设计与实现

陈 荣，舒 展

北京卫星导航中心，北京，100094

基于PXI架构的新型信号模拟源的设计与实现是基于PXIe5644R矢量信号收发仪，本文首先通过LabVIEW上位机编程和LabVIEW FPGA模块，实现AltBOC调制方式的射频信号；然后通过生成信号的频谱图以及接收机能否正确捕获和跟踪，验证了基于PXI架构射频信号模拟源产生信号的正确性。

卫星导航信号模拟器；PXI；AltBOC信号模拟；LabVIEW

1 引 言

二进制偏移载波调制是一种广泛用于卫星导航定位系统的调制方式，其分裂谱特性使信号间存在较好的隔离，从而实现频谱共享。在Galileo系统中，E5频段采用了交替二进制偏移载波(Alternate Binary Offset Carrier，AltBOC)调制技术，使该频段可以独立传输4路导航信号[1]。该调制方式既不会干扰其他频带的信号，同时还确保了全球卫星定位系统(GPS)信号的互操作性。本文基于AltBOC调制技术原理，介绍了一种基于PXI架构的实现方法，并对该信号的正确性进行验证。

2 信号源的PXI架构实现

2.1 硬件设计平台介绍

PXI是由美国国家仪器公司发布的基于PC的测量和自动化平台，便于测控系统开发与集成。该系统可根据系统具体指标要求选择不同的模块化仪器；同时，可与基于GPIB、LAN、VXI等总线的其他仪器组成混合总线系统。

PXI信号源平台由NI PXIe-1075机箱、NI PXIe-8135控制器和NI PXIe-5644R射频收发器构成，如图1所示。其中，NI PXIe-5644R模块是一款全新的矢量信号收发仪，它结合了矢量信号分析仪、矢量信号发生器并具有基于FPGA的实时处理能力。NI PXIe-5644R 中具有用户可编程的Xilinx Virtex-6 FPGA芯片。

图1 基于PXI架构的模拟源硬件平台

2.2 模拟源的体系结构

卫星信号模拟源是一种标准的信号生成源，它可以根据上位机软件设置的仿真环境，模拟卫星导航系统播发的导航信号。

从模拟源设计上讲，程序结构包括上位机和FPGA两部分。上位机负责对矢量信号发生器进行配置、对信号参数进行设置、生成导航电文、产生基带数字信号、码多普勒处理，这些参数通过PXIe5644R板卡具备的寄存器总线传输至FPGA缓存；FPGA程序根据配置循环结构中读取缓存中的数据，分配给射频输出相关参数，射频输出的循环结构读取这些参数后，进行如IQ补偿等处理后生成两路IQ信号输出，从而在板卡上输出射频信号。模拟源的结构如图2所示。

图2 PXI架构模拟源结构框图

2.3 基于LabVIEW的上位机程序实现

NI矢量信号收发仪可以通过LabVIEW范例和仪器设计库进行编程，VST仪器设计库使VST的FPGA架构具有更高的灵活性。

2.3.1 基带信号生成

BOC调制信号表示为基带信号乘以一个方波副载波[2]，其中，副载波可表示为[3]：

sr(t)=sign[sin(2πfst)]

cr(t)=sign[cos(2πfst)]

(1)

式中，sr(t)是正弦方波副载波，cr(t)是余弦方波副载波，fs是副载波频率。

AltBOC调制被定为在上下边带调制不同伪随机码的类BOC信号[4]，是基带信号与一个“复数”矩形方波副载波相乘，副载波及其共轭形式如公式(2)：

er(t)=cr(t)+j·sr(t)

er*(t)=cr(t)-j·sr(t)

(2)

则双码AltBOC调制信号可以表示为公式(3)[5]：

s(t)=ca(t)·er*(t)+cb(t)·er(t)

(3)

将式(2)代入式(3)得：

s(t)=[(ca(t)+cb(t)]·cr(t)+j[(cb(t)-(ca(t)]·sr(t)

(4)

式中，ca(t)和cb(t)分别为调制不同伪随机码的基带信号。

恒包络AltBOC(15,10)信号的生成过程中，1个伪码片对应1.5周期的副载波。这就要求奇数码片对应初始相位为0°的1.5个周期的副载波；偶数码片对应初始相位为180°的1.5个周期的副载波，即每次偶数码片查表时，需要将查找表进行180°翻转，其他过程与及奇数码片查表时一样。

恒包络AltBOC(15,10)基带信号在未加导航电文时，在Labview上实现如图3所示，流程如图4所示，具体步骤如下：

(1)初始的伪随机序列以码表形式存放。

(2)用4列伪随机序(PRN_Ca_I、PRN_Ca_Q、PRN_Cb_I、PRN_Cb_Q)去对码表进行查询。

(3)通过伪随机序找出的结果在IQ幅值扩展查找表中找出相应的幅度值，并输出I分量和Q分量扩展到2个副载波周期的幅度值(I分量是Se_I[16]，Q分量为Se_Q[16]，分别有16个值，且前8个值与后8个值一样)。

(4)判断伪随机码的码片计数(PRN_code_counter)的奇偶性。在奇数码片时间点，将前12个值以122.76MHz的速率顺序发出；在偶数码片时间点将后12个值以122.76MHz的速率顺序发出。这样即可实现相位180°翻转，得到I和Q两个支路的数字基带信号。

(5)信号发送速率的选择：AltBOC(15,10)体制的一个码周期是1ms，其速率是10.23MHz；通过查找表扩展1个码片对应为12个值，则1ms为122760个值，其速率为10.23*12=122.76MHz。由于NI PXIe-5644R射频信号收发器IQ速率最大能设置为120MHz，因此将1ms为122760个值采样为120000个值，以120MHz速率发出。

图3 恒包络AltBOC(15,10)基带信号在Labview上的程序框图

图4 恒包络AltBOC(15,10)信号生成流程图

2.3.2 导航电文实现

导航电文是由0，1的值组成，只是不同系统、不同频点下具有不同的导航速率。首先，在上位机中将0，1构成的导航电文通过txt文件形式存储起来；其次，在生成基带信号模块中生成加入导航电文是0后的基带信号，进入写波形模块；然后，再将基带信号模块中生成加入导航电文是1后的基带信号，进入写波形模块；最后，通过选择循环的次数参数来实现对导航电文速率的控制。例如循环的次数参数是1，则代表运行1周期的点值，假设扩频码是10230个，速率是10.23MHz，则1ms是10230个点；如果设置循环的次数参数值是20，则代表运行20ms，即其导航电文的速率为1000/20=50bit/s。通过此设置，循环的次数参数设置控制着导航电文速率，然后通过txt文档里设置的导航电文值1或0达到不同电文值或不同电文速率，从而实现加入导航电文后的信号输出。

2.4 基于LabVIEW FPGA的程序设计

LabVIEW是一种用图表代替文本创建应用程序的图形化编程语言，LabVIEW FPGA模块是它的一个子模块。使用LabVIEW FPGA通过图形化的编程可以快速地开发FPGA系统；同时，使得工程设计人员无需了解VHDL或其他硬件开发工具即可开发FPGA系统。NI PXIe-5644R包含一块用于系统配置、数字数据移动和数字信号处理的Xilinx Virtex-6LX195T FPGA。该FPGA与ADC、DAC、PCI Express总线、DRAM、SRAM、数字I/O和PXI触发器直接连接，允许通过自定义编程满足各种类型应用的要求。另外，FPGA还包含多层代码，提供从底层控制到高层抽取的一切，拥有RF信号分析仪和RF信号发生器的功能。底层组件实现了具体硬件的标准功能，包括信号校准、前端控制，以及基于记录的采集和生成。

3 模拟源信号验证

3.1 测试平台搭建

信号测试平台是由下变频器、数据高速采集器、软件接收机、频谱仪和功率计组成。数据高速采集器采用 NI 5622、存贮设备采用NI HDD-8265，采样率为150MS/s，读写速率为750MS/s，采用16bit量化；软件接收机以Microsoft Visual Studio 2008为开发平台，用C语言编写而成，用于数据接收处理，对射频信号进行验证；频谱仪用于观察信号的频谱，图5为其PXI硬件射频信号生成验证流程图。

图5 PXI硬件射频信号生成验证流程图

3.2 信号调制方式验证

将生成的射频信号接入频谱仪，查看信号频谱。图6给出了AltBOC调制信号的理论谱和实测谱，从图中可以看出，实测谱和理论谱相吻合，从而验证了调制方式和带宽的正确性。实测频谱中心频点是1191.795MHz，单个边带带宽为20.46MHz，两个边带间隔10.23MHz，频谱仪SPAN设置为8MHz。

图6 AltBOC调制硬件射频信号频谱

3.3 软件接收机测试

信号模拟源与相应的接收机对接测试是验证信号模拟源整体性能的最直接、最有效的手段，硬件模拟源模拟AltBOC调制未加多普勒的静态射频信号，其射频频率是1191.795MHz，信号载噪比为75dBHz，信号功率较实际信号强，其跟踪精度值相对较高。图7是其软件接收机捕获到的结果，从图中可以明显看到相关峰。

图7 AltBOC调制信号捕获结果

图8是软件接收机跟踪的结果，其载波跟踪的多普勒标准差约为0.1Hz，码跟踪标准差为0.05m。

图8 AltBOC调制硬件射频信号软件接收的码和载波跟踪精度

4 结 论

本文介绍了基于PXI架构平台硬件射频信号模拟源的实现和验证，实现了AltBOC调制方式且加入导航电文的射频信号。该方法是基于PXI架构、通过LabVIEW模块图形化的编程语言，在硬件上直接实现射频信号生成，与传统的FPGA方法相比，具有频谱干净、实现简单的优点。验证部分包括测试平台的搭建、信号调制方式的验证、接收机测试等。通过产生信号的频谱可以直观地得到信号调制参数信息，对信号调制方式验证；并且与接收机进行对接测试，给出了接收机的捕获、跟踪结果，从而验证出模拟源的准确性，可满足工程的实际需要。

[1]LESTARQUIT L,ARTAUD G,J-L.AltBOC for dummies or everything you always wanted to knowaboutAltBOC[C].IONGNSS,Savannah,2008.

[2]Ries L, Legrand F, Lestarquit L, et al. Tracking and multipatch performance assessments of BOC signals using a bit-level signal [C]. Proceedings of ION GPS ,Portland, 2002.

[3]BETZ JW,Binary offset carrier modulations for radionavigation[J].Navigation,2001-2002,48(4):227-246.

[4]胡修林, 唐祖平. GPS和Galileo的信号体制设计思想综述[J].系统工程与电子技术,2009,31(10):2285-2293.

[5]Gao G. Towards Navigation Based on 120 Satellites Analyzing the New Signal[D]. USA: Stanford University,2008.

Design and Implementation of AltBOC Signal Simulator Based On PXI Structure

Chen Rong, Shu Zhan

Beijing Satellite Navigation Center, Beijing 100094，China

The design and implementation of simulation source on the PXI architecture is based on the PXIe5644R vector signal transceiver device. First this paper generates the RF signal of AltBOC modulation via LabVIEW programming on PC and LabVIEW FPGA Module. Then it verifies the correctness of RF signal source based on PXI architecture by observing the generated signal spectrum and the results of software receiver acquisition and tracking.

satellite navigation signal simulator；PXI；AltBOC signal simulation；LabVIEW

2015-03-16。

陈荣(1977—)，女，工程师，主要从事卫星导航方面的研究。

TN967.1

A