GNSS信号录制与回放设备的研制及应用

张涛

(武汉大学 测绘学院,湖北 武汉 430079)

0 引 言

在GNSS接收机的生产研发以及卫星定位与导航相关专业的教学实验过程中,GNSS信号录制与回放设备是一种非常重要的仪器,它可以采集射频信号并存储为数据文件,反复重现实际射频信号环境,以对GNSS接收机进行测试,还可以对接收机算法进行比较、验证。随着我国北斗系统的发展,教学科研机构和生产厂商对多频多模GNSS接收机的研究力度越来越大,多频多模GNSS射频信号录放装置的需求很强。而目前的GNSS射频信号录制与重放装置一般分为两类,一类是单频单模,其价格较低,但是已经无法满足目前GPS/北斗等多星座多频点的接收机测试需要。另一类是多频多模GNSS信号录制与播放装置,其主要结构采用的是多个ADC同步采集录制方式或者高速、高带宽ADC采集方式,前者需要解决同步问题,同步不良会造成多个信号之间时间错位,信号无法完整回放;而后者的成本高,结构复杂。本文中提出的多频多模GNSS射频信号录放装置具有成本低,结构简单等优点,适合一般的科学研究、生产测试、教学实验等应用。

1 原理与设计

目前的GNSS主要包括北斗(BDS)、GPS、GLONASS、伽利略(Galileo)、QZSS和IRNSS。GPS系统的应用较广,而BDS系统的前景更加引人关注。因此本装置主要针对GPS和BDS系统设计。

而民用GPS信号又包含L1,L2,L5三个频点,BDS的被动定位系统也包含B1,B2,B3三个频点。在这几个频点中,目前应用较广的主要是GPS的L1和L2与BDS的B1。因此本文的设计目的也就是对GPS L1/L2和BDS B1进行录制与回放。表1示出了这三个信号的中心频率、信号带宽、民用接收机通常的带宽。

表1 常用GNSS信号特征表

可见,三个频段覆盖的带宽已经超过350 MHz,如果采用一般的直接采样的形式,则对器件的要求是相当高的,相应的成本也很高。

在研究三个频段的关系后,可以知道这三个频段并非是连续的,其有效总带宽只有26 MHz,中间的300多MHz实际上并不需要,另外一个事实是,由于GPS和北斗系统均使用了CDMA编码系统,即使在频谱边缘部分有少部分重叠,对信号接收的影响也有限。因此提出了如下变频法压缩带宽的方法。

通过混频器将信号进行变频处理是无线电技术中的一种常用手段,通常变频的目的是将频谱变换到一个中频(一次变频)或几个中频上(多次变频),以避免放大器引起自激同时方便设计放大器和滤波器,而此处利用变频时会产生和频和差频两个混频结果(即镜像)的现象,在信号录制与回放的时候使用了不同的和频信号与差频信号,对于不同频点的信号,分别采用和频与差频信号,从而充分利用镜像信号,在信号录制过程中,通过变频压缩带宽,在信号回放的时候,通过变频扩展带宽,降低了器件要求和系统复杂程度,同时降低了成本。

设本振频率为flo,L1,L2,B1的中心频率分别为fL1,fL2,fB1,且flo

和频:

f1=fL1+flo=1575.42+flo;

f2=fL2+flo=1227.6+flo;

f3=fB1+flo=1561.098+flo；

差频:

f4=fL1-flo=1575.42-flo;

f5=fL2-flo=1227.6-flo;

f6=fB1-flo=1561.098-flo.

只要选择合适的flo,就可以在以上产生的6个混频信号中,得到3个频率间距足够小的信号。为了缩短三个频点的间距,应选择一个和频f2即1 227.6+flo和两个差频f4即1 575.42-flo、f6即1 561.098-flo.而此时的总带宽缩至:

f4-f2+1+10=358.82-2flo

上式中1和10分别为L1和L2的有效带宽的一半。

在回放的时候,再次将这三个频点(f2、f4、f6)的信号与flo混频,从而将信号还原。此时混频得到的信号也有6个:

和频:

f7=f2+flo=1227.6+flo+flo

=1227.6+2flo;

f8=f4+flo=1575.42-flo+flo

=1575.42MHz;

f9=f6+flo=1561.098-flo+flo

=1561.098MHz

差频:

f10=f2-flo=1227.6+flo-flo=1227.6;

f11=f4-flo=1575.42-flo-flo

=1575.42 MHz-2flo；

f12=f6-flo=1561.098-flo-flo

=1561.098 MHz-2flo.

可见,和频f8、f9与差频f10正是需要的fL1,fL2,fB1,此外还有三个多余的镜像信号。为了降低带宽要求的同时保证信号录制和回放质量,需要选择flo,使得满足以下三个条件:

1)f1、f2、f3、f4、f5、f6之间的间距减小,使得带宽减小;

2)f1、f2、f3、f4、f5、f6之间尽量避免频谱重叠;

3)f7、f8、f9、f10、f11、f12之间尽量避免频谱重叠。

由于(L1+L2)/2约为174 MHz,因此可以选择flo在174 MHz附近。flo越接近174 MHz,则第一个条件越容易满足,而第二和第三个条件越不容易满足。flo离174 MHz越远,则第二和第三个条件越容易满足,但第一个条件越不容易满足。因此在录制和回放器件和设备带宽允许的情况下,flo应尽量离174 MHz远一些。例如当选用的录制和回放设备带宽为40 MHz的时候,可以选择flo=160 MHz,此时的频谱示意图如图1,图1上图是本来的信号,中间的虚线部分代表的带宽约为350 MHz;图1中间图是经过混频后的信号,f2=1 387.6 MHz,f4=1 415.42 MHz,f6=1 401.098 MHz,总带宽缩至38.82 MHz,中间的虚线部分被挤掉,只保留有效频谱,可以看到此时满足f1、f2、f3、f4、f5、f6之间无频谱重叠(f1、f3、f5已经在带外);图1下图是回放的信号,其中点划线是无用的镜像信号,f7、f8、f9、f10、f11、f12之间也无频谱重叠,满足三个条件的要求。再例如,当所选用的录制和回放设备带宽为20 MHz的时候,可以选择flo=170 MHz,此时,f2=1 397.6 MHz,f4=1 405.42 MHz,f6=1 391.098 MHz,总带宽缩至18.82 MHz,此时的频谱示意图如图2所示,由于带宽已经压缩至小于26 MHz的有效带宽,因此在图2中间图中可以看到,f2、f6之间略有频谱重叠;在图2下图中可以看到f7与f9,f10与f11之间也略有频谱重叠,此时对信号会有损失,而且信号之间也有干扰。

通过变频,选择合适的和频域差频将有效带宽缩窄后,即可进行数据录制。这里采取了一种简便的方案进行采样录制,即使用现有的低成本SDR平台来完成。表2是目前市面上流行的几种SDR平台的主要特征:

表2 常见SDR主要特性表

可见,当采用 174 MHz的本振的时候,用Ettus的B200/B210或者BladeRFX40以及LimeSDR均可以完成采样录制的工作。而当采用170 MHz的本振的时候,即使用最廉价的HackRF ONE平台即可完成采样录制工作。从成本来说,Hackrf ONE与BladeRF x40更有优势。

本振频率选定后,即可选定相关器件搭建信号录制与回放设备。

2 具体实现

图3是根据以上原理搭建的L1/L2/B1三频GNSS信号录制与回放设备示意图,其中图3(a)中SDR KIT 使用Hackrf ONE,图3(b)中SDR KIT使用的是BladeRF x40.

设备由接收天线ANT RX,低噪声放大器LNA,射频开关RF SWITCH,混频器MIXER,本振Local OSC,滤波器FILTER,外部参考时钟EXT REF CLOCK,SDR平台 SDR KIT,控制和存储电脑COMPUTER,I/O扩展器I/O EXT BOX,程控可调衰减器ATT,以及发射天线ANT TX构成。

接收天线选用至少能够接收GPS L1/L2以及北斗B1的有源天线,增益30 dB左右,用于接收这三个频点的信号。

低噪声放大器选用通用的微波低噪声放大器,有效频段在1 200 MHz到1 600 MHz,增益25 dB左右。可以使用多级微波三极管自行设计搭建或者选用现成的放大器模块,此处使用ZX60-P162LN+.

射频开关采用单刀双掷射频开关ZX80-DR230+,用以进行录制和回放的功能切换。

混频器采用宽频高性能混频器ADE-35 MH.

本振采用温补晶体振荡器,振荡频率170 MHz.

滤波器FILTER 1采用VBFZ-1400+,滤波器FILTER2采用三个不同频段的滤波器CBP-1228C+,BFCN-1575+,BFCN-1560+组合完成。严格来说,FILTER2的参数并不完美,但是仍能对信号质量有一定的提高。

在研制过程中,SDR平台分别选用了Blade RF x40和Hackrf ONE进行了对比,Hackrf ONE成本低,完全开源,便于开发。但其选用的时钟性能较差,频率不稳定而且相位噪声偏大,无法保证整体性能,因此必须配合温补时钟,一个频率为10 MHz通用TCXO。如果成本许可,也可以用更高性能的OCXO或者原子钟代替。另外,Hackrf ONE是半双工设备,而且只有一个RF口,兼做接收与发射,因此必须通过射频开关来进行切换。当采用BladeRF x40的时候,由于其为全双工设备,射频开关RF SWITCH 3可以省去。

控制和存储电脑上编写相应的程序,用以控制SDR平台的操作,并存储录制的信号,同时还需要通过I/O扩展器控制射频开关进行录制和回放功能的切换以及控制程控衰减器,以调节回放信号的强度。由于数据吞吐量较大,计算机应使用固态硬盘,并具有USB 3.0接口。

如果要避免信号回放的时候对其他设备造成干扰,则应采用电缆耦合的方式,不要将信号送至发射天线。

I/O扩展盒由单片机ATMEGA 128与UART-USB接口转换芯片FDTI FT232R构成,两者配合完成接受电脑的指令,以控制射频开关以及衰减器。

以Hackrf ONE为例,设备的工作状况如下:

在信号录制期间,电脑通过I/O扩展器控制射频开关,使得这三个开关均位于1通路,从而低噪声放大器的输出端与混频器的RF输入端连接,混频器的IF端与滤波器的输入端连接,混频器的输出端与Hackrf ONE的RF端连接。

接收天线将GPS L1/L2和北斗B1的信号接收以后进行滤波、放大,然后送至低噪声放大器进行放大,再经过射频开关RF SWITCH 1送至混频器的RF端,混频器将此信号与LO端来自本振的频率为170 MHz的本振信号进行混频,混频结果为:

L1: 1 405.42 MHz

L2: 1 397.6 MHz

B1: 1 391.098 MHz

同时还有三个镜像信号:

1 745.42 MHz,1 057.6 MHz,1 731.098 MHz可见,经过混频,L1,L2,B1三个频点的相对关系发生了变化,本来是L2,B1,L1呈频率递增关系的,混频后,L2位于中间,L1和B1分别落在L2的两边,频率中心间距分别为7.82 MHz和6.502 MHz.这种分布更有利于均衡分配三个频点的损失,减少它们之间的影响。

三个镜像信号在本系统中属于无用信号,在采样的时候会被丢弃。

混频后的信号经过射频开关RFSWITCH2进入滤波器,允许通过的信号只有以1 400 MHz为中心,带宽为20 MHz的信号,即以1 405.42 MHz,1 397.6 MHz以及1 391.098 MHz为中心的三个信号。而镜像信号(以1 745.42 MHz,1 057.6 MHz,1 731.098 MHz为中心的三个信号)在此被滤除。

经过滤波后的信号经过射频开关RFSWTICH3,送入HackRF ONE的RF端,由电脑控制 HackRF ONE对其进行采样存储,采样参数设置为中心频率1 397.6 MHz,采样位宽8比特,采样率为20 MSPS,采样方式为IQ正交。采样文件经过USB总线送至电脑进行存储。

在信号回放期间,电脑通过I/O扩展器控制射频开关,使得这三个射频开关均位于2通路,从而 HackRF ONE的RF端与混频器的RF输入端连接,混频器的IF输出端与滤波器FILTER 2的输入端连接。然后电脑将录制期间得到的采样文件送至HackRF ONE进行回放,回放的参数与录制的参数一致,也是中心频率1 397.6 MHz,位宽8 bit,采样率为20 MSPS.则在HackRF ONE的RF输出端得到的射频信号中,包含了中心频率分别为1 405.42 MHz,1 397.6 MHz和1 391.098 MHz的三个信号。该信号经过射频开关送至混频器的RF输入端,与来自本振的170 MHz本振信号混频,得到还原后的1 575.42 MHz,1 227.6 MHz、1 561.098 MHz三个信号,同时还有三个镜像信号:1 235.42 MHz,1 567.6 MHz,1 221.098 MHz,这些信号经过射频开关,送至滤波器,经过滤波后,1 235.42 MHz,1 567.6 MHz,1 221.098三个不需要的镜像幅度得以降低。滤波后的信号送至可调衰减器,由电脑通过I/O扩展器控制可调衰减器的衰减幅度,以得到合适的信号强度,最后送至发射天线。至此,录制的信号得以还原。

图4是在研制过程中该设备的原型机图。该原型机采用了BladeRF作为录放设备,为了做多个接收机同时测试的实验,输出端采用了1分4射频功率分配器,大约相当于在链路中接入了6 dB的衰减器。

3 性能评估测试

为验证本GNSS信号录制与回放设备的性能,用以下方法对设备进行基本测试:

1) 用功率分配器将GNSS接收天线接收来的真实GNSS信号分成两路,一路给GNSS接收机,另一路给本设备;

2) 观察接收机的接收情况,同时打开接收机的数据记录功能,进行定位数据以及星座信息的记录;

3) 则启动本设备进行数据采集,录制信号,并保持10分钟;

4) 断开GNSS接收天线,冷启动GNSS接收机;

5) 将本设备的输出接到GNSS接收机上,进行信号的回放,再次记录GNSS接收机的定位数据以及星座信息;

6) 反复进行步骤5)对比结果。

测试结果如下:

1) BladeRF x40记录的文件大小为96 GB,L1/L2/B1信号均可以被接收机迅速捕获跟踪并进入定位过程,对比步骤2)中得到的数据记录,除了信号强度有差别外,其余星座分布、定位信息、多普勒值等均一致(定位结果符合单点定位的误差范围)。

2) HackRF ONE记录的文件大小为24 GB,L1/B1信号均可以被接收机迅速捕获跟踪并进入定位过程,对比步骤2)中得到的数据记录,除了信号强度有差别外,其余星座分布、定位信息、多普勒值等均一致(定位结果符合单点定位的误差范围)。L2信号跟踪过程不理想,跟踪较为困难,而且有丢失现象。

3) 经过多次实验,结果一致性很好,达到实用性要求。

4 结束语

本文中设计的GNSS信号录制设备,通过合理巧妙地利用变频产生的和频与差频信号,具备成本低廉,结构简单,性能稳定的特点,可以满足教学实验、接收机研发与生产、算法验证等多种场合的需求,而且设备基于SDR平台,其软硬件都比较透明,适合用于教学演示,方便进行功能扩展。通过测试可以知道,当使用BladeRF x40作为采集回放设备的时候,效果较好,但是成本略高;当采用HackRF ONE作为采集回放设备的时候,L1/B1两个频点工作完全正常,但并不太适合L2的录制回放,原因是频谱间的重叠、带内损耗不平坦以及时钟性能受限,但其优点是成本低廉。相对于现在市场上动辄数百万的同类设备,采用本文实现的GNSS信号录制与回放设备的成本大约降低到原来的几十分之一,经过在本学院教学实验过程中使用以及本地一家GNSS设备研发制造单位测试使用,效果良好。当前设备存在的最大问题,是采集的数据文件都比较大,这样对存储系统的要求就会过于苛刻,容易造成信号不连续。由于GNSS信号实际上并不需要如此宽的位宽进行采集存储,太宽的位宽增加了成本和资源消耗,而对于性能的提高有限[1],因此,可通过减小位宽来解决,另一方面,当采用HackRF ONE作为采集回放设备的时候,如果是一般的民用,可以直接取消L2频段,这样带宽可以更窄,采样率也可以随之降低。例如使用BladeRF x40作为采集回放设备的时候,如果采用2 bits进行记录,数据量将减少到原来的1/8;而如果使用HackRF ONE,仅采集回放L1/B1,则可以将带宽缩至6 MHz甚至更低,再将位宽减少到2 bits,则数据量减少到不及原来的1/12,即每秒大约3.33 MB,10 min的数据量大约为2 GB.这样一来,将更有助于实用化。