北斗中频信号仿真研究*

代 君,王晓璐,刘战合,王 菁

(郑州航空工业管理学院 )



北斗中频信号仿真研究*

代 君,王晓璐,刘战合,王 菁

(郑州航空工业管理学院 )

北斗卫星信号作为北斗系统中必不可少的一部分，对研究北斗卫星系统有重要的理论和实际意义.以Matlab为平台，以北斗信号仿真为目标，对北斗中频信号进行了仿真与实现.首先，在研究卫星信号传播的基础上，提出了北斗中频信号仿真的总体构架.然后，在CBI码信号生成原理的基础上，对CBI码进行了Matlab仿真和验证.通过对不同卫星CBI码的相关性分析验证了仿真生成的CBI码的正确性.最后，基于扩频调制和载波调制的基本原理，采用16.367667MHz的采样率将CBI码调制到4.123968MHz的中频信号上.通过对信号时域和频域进行分析，验证了仿真信号的正确性和仿真方案的可行性.

北斗;测距码;扩频调制;BPSK调制

0 引言

导航定位系统在军事、民用各方面都起着至关重要的作用，它作为强国的基础设施之一，也是未来发展的必然趋势[1].继美国、俄罗斯、欧洲相继建立和发展了定位导航系统之后，中国也成功建立了北斗卫星导航系统，该系统的发展和应用不仅对其他定位导航系统产生了强有力的竞争，更重要是使中国在世界提高了地位，有着重要的战略意义 .北斗卫星信号作为北斗系统中必不可少的一部分，对于卫星信号的研究以及研究北斗卫星系统有重要的基础意义.

卫星导航领域中的任何研究数据都必须真实可靠，这样才能应用到实际中.但是真实的卫星信号是夹杂着不断变化的环境噪声的高频信号，如果使用硬件设备进行模拟，就必须考虑到高频信号的多径干扰及传播延时等影响因素，从而导致硬件模拟设备复杂无比[2-3].采用软件对卫星信号进行模拟仿真，不仅利用软件开发所具有的高效、低投入的优点，还通过建立准确的卫星信号数学模型，生成不同需求下的卫星信号，这样可以大大简化软件接收机捕获、跟踪及位置导航解算等算法的验证难度.

信号模拟是研发和验证北斗硬件接收机过程中必不可少的一部分.相比直接利用真实的卫星信号，软件模拟能够提供精确可控、可重复出现的仿真信号，使接收机的研发时间和效率能够得到保证[4-5].北斗信号模拟是卫星导航研究领域的一项关键技术，不仅可以为硬件接收机的研发、测试提供仿真环境，也可以用于北斗系统的总体方案论证，因此对卫星导航信号仿真技术的研究具有重要的理论和现实意义.

1 北斗中频信号实现总体构架

在卫星上，导航数据码经过扩频码和射频载波调制后形成射频模拟信号，经卫星天线发射[6]；在地面，射频模拟信号经北斗接收机的天线接收，又经过接收机射频前端的下变频、滤波等处理后变成模拟中频信号[7]；模拟中频信号再经过A/D(模拟数字转换，Analog to Digital Converter)转换处理后成为数字中频信号.

图1 卫星信号传播

通过上述对北斗中频信号传播模型的分析，可以发现北斗数字中频信号的仿真应该包伪随机码的仿真、扩频调制、载波调制、信号量化(A/D转换)的仿真等.各模块之间的数据流关系如图2所示.

图2 北斗中频数字信号总体构架图

导航电文计算模块通过对一段时间内的卫星轨道数据和信号传播延迟仿真数据按照相应的算法进行处理得到原始的导航电文信息.

观测数据计算模块仿真所有卫星的状态信息，如卫星相对于用户的观测高度角，用于判断卫星相对于用户的可见性.对于可见的卫星，计算用户到卫星之间的几何距离，即真距，同时加上信号传播误差仿真模块计算出的各项传播延迟即为用户相对卫星的原始观测数据.扩频调制是将导航数据码经伪随机码CBI调制形成组合码的过程.

载波调制计算模块是将组合码和载波进行调制计算得到中频模拟信号的过程.

A/D转换是将卫星信号进行采样使得中频模拟信号变成中频数字信号的过程.

数据文件存储模块最终将数字中频信号按照一定的协议格式存储成二进制数据文件，以便软件接收机可以通过读取数据文件对卫星信号进行捕获、跟踪以及导航定位解算的分析.

2 CBI码的生成与验证

2.1 CBI码基本原理[1]

北斗卫星定位系统是全球卫星定位系统的一种，它工作的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置.当北斗卫星行为系统的卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文.北斗信号测距码(以下简称CB1I码和CB2I码)的码速率为2.046Mcps，码长为2046.CB1I码和CB2I码均由两个线性序列G1和G2模二和产生平衡Gold码后截短1码片生成.G1和G2序列分别由两个11级线性移位寄存器生成，其生成多项式为：

G1(X)=1+X+X7+X8+X9+X10+X11

G2(X)=1+X+X2+X3+X4+X5+X8+X9+X11

G1和G2的初始相位为：

G1序列初始相位：01010101010

G2序列初始相位：01010101010

CB1I码和CB2I码发生器如图3所示.

图3 CBI码发生器示意图

卫星的PRN码与延时的量是相关联的，对CBI码来说,每颗卫星都有特别的延时，通过G2相位选择可以产生结构不同的伪随机码，从而可以实现不同卫星之间的码分多址技术与卫星识别[8].

2.2 CBI码生成与验证

对CBI码模块的实现进行程序仿真，设计流程的文字表述如下：

定义好两个数组代表移位寄存器G1和G2；

用一个switch的循环来选择不同的卫星号，从而选择不同卫星相位选择器的移位寄存器的抽头，即数组中不同位置的数，即产生不同卫星G2的输出；在数组中数值平移的过程中，G1和G2异或即可生成该卫星CBI码；

根据设计流程，给出程序流程图如图4所示.

图4 CBI码模块流程图

根据图，编写CBI码模块程序，得到的PRN号为1的卫星的CBI码的部分矩形波形如图5所示.

图5 PRN 1 CBI码码片矩形图

为验证仿真产生的CBI的正确性，对PRN号为1的卫星CBI码码片作自相关运算，得到的结果如图6所示，可以看出PRN号为1的卫星CBI码具有良好的自相关性.

图6 PRN1 CBI码码片自相关图

仅仅分析1颗卫星CBI码的特性并不具有一般性，该文又继续仿真了PRN号为2的卫星的CBI码进行分析，它得到的CBI码如图7所示.

图7 PRN2 CBI码码片矩形图

进一步继续验证仿真产生的PRN号为2的卫星CBI的相关性，也对该颗卫星进行自相关运算，如图8所示，可以看出PRN号为2的卫星CBI码也具有良好的自相关性.

图8 PRN2 CBI码码片自相关

最后验证PRN1卫星与PRN2卫星CBI码的互相关性，将这两颗卫星的CBI码作互相关运算，如图9所示.可以看出这两颗卫星的CBI码几乎不相关，这种互相关很小、接近于正交的特性有助于减少不同北斗卫星信号之间互相干扰，从而极大地满足了接收机进行解扩时对为不同卫星信号区分的功能.

图9 PRN1与PRN2 CBI码码片互相关

从上述的分析和仿真中，可以看出PRN号为1和2的卫星CBI的设计满足CBI码的原理和特性要求，又通过与书本上标准的CBI码进行对比，可以看出仿真实现的CBI码与标准的CBI码一致，最终证明了PRN号为1和2的卫星CBI码是正确的.此外，也对其他卫星的CBI码进行与PRN号为1和2的卫星CBI码同样的仿真处理，结果也显示仿真生成的CBI码具有平衡码的特性以及良好的自相关性和互相关性，并且与书本上标准的CBI码一致.

3 北斗中频信号的生成与验证

对信号调制模块的实现进行软件仿真，设计的流程如下：

(1)初始化基本数据信息，如光速、射频频率、中频频率、CBI码频率，D码频率、采样频率、仿真步长、仿真总时间等.

(2)读取数学仿真软件中的观测数据信息和导航电文信息.

(3)初始化CBI码以及D码，并且变单极性码为双极性码.

(4)调制.

(5)遍历所有通道累加和路.

根据程序流程，流程如图10所示

图10 信号调制模块流程图

根据流程图图10编写程序进行仿真，这里设置仿真步长等于采样间隔，为1/16367667s，仿真总时间为0.02ms，仿真出的信号数据图形如图11所示.

图11 信号时域波形

从图11可以看出，信号虽然已经离散化，但是仍然保持了良好的正弦特性.分析数据频谱如图12所示，从数据频谱中可以看出，信号的带宽约为4MHz，与原理上分析一致.

图12 信号频域波形

从信号时域图图11和频域图图12均能证明，仿真出的信号与数学模型分析的基本一致，可以判定北斗中频信号仿真的正确性.

4 结束语

该文在研究真实北斗信号传播过程的基础上，组建了中频信号仿真实现的总体构架.针对建立的软件总体构建，首先对伪随机码CBI码进行了生成和验证，在CBI码正确可靠的基础上，对北斗中频信号进行了仿真生成，进而从时域和频域分别对北斗中频信号进行了分析验证.结果表明，仿真中频信号方案正确合理，仿真实现过程正确可信.

[1] http://www.beidou.gov.cn/

[2] 谢刚.GPS原理与接收机设计[M].北京:电子工业出版社,2011.

[3] 王鹏，蔡爱华.高动态GPS中频信号仿真与验证[J].现代导航,2014(6).

[4] Pany T, Kaniuth R, Eissfeller B. Deep Integration of Navigation Solution and Signal Processing[J] .ION GNSS, Long Beach ,CA,2005:13-16.

[5] Parker T, Mataskis D. Time and Frequency Dissemination Advances in GPS Transfer Techniques [J].GPS World Magazine ,Advanstar Communications,2004:32-38.

[6] 陆娟,常青,张其善.十二通道GPS模拟信号源的硬件设计[J].北京航空航天大学学报,2003,48(4):331-334.

[7] 任晓岳，卢虎.高动态GNSS自适应矢量跟踪环路[J].计算机仿真,2014(2).

[8] Zarlink Semiconductor. GPS Receiver Hardware Design [J].Application Note 855,2009,2.

(责任编辑：李家云)

The Research on Simulation of Beidou Intermediate Frequency Signal

Dai Jun, Wang Xiaolu, Liu Zhanhe, Wang Jing

(Zhengzhou Unviersity of Aeronautics)

As an essential part of the Compass system,it is important theoretical and practical significance to study the Beidou satellite signals. In this paper, in order to study the Beidou signals, the IF signal is simulated and implemented in Matlab. First, based on the satellite signal propagation model, the overall structure of the Beidou IF signal simulation is presented.Then, based on the CBI code signal generation principle, CBI code is simulated and verified.Through correlation analysis of different satellite code, the code generated is verified by simulation is correct. Finally, based on the basic principles of spread spectrum modulation and carrier modulation, the combination code is modulated onto an intermediate frequency 4.123968 MHz signal by using 16.367667 MHz sampling rate. Through the analysis of the time and frequency domain of the signal, the correctness of the simulation signal and the feasibility of the simulation method are verified.

Beidou；Ranging code; Spreading spectrum modulation; BPSK modulation

2016-03-05

*河南省科技厅资助(162102210237)；航空科学基金(2014ZA55001)；河南省教育厅(15A590001)；郑州航空工业管理学院青年基金项目

V448.25

A

1000-5617(2016)03-0037-05