GNSS卫星信号采集回放系统基本原理与实现研究*

郑潇男 左建生 胥婕

1.上海市计量测试技术研究院 上海 201203；

2.国家卫星导航与定位服务产品质量监督检验中心(上海) 上海 201203

引言

近年来，全球导航卫星系统GNSS (Global Navigation Satellite System)快速发展，GNSS已渗透到现代化社会的各个领域，但在全球导航卫星应用中，GNSS接收机所处环境带来的误差源的情况复杂，对导航信号电参数的影响差异巨大，难以通过统一的模型进行检测或消除，使得接收机的定位性能严重依赖于周围环境。GNSS卫星信号采集与回放仪可以通过录制真实的GNSS卫星信号，回放给GNSS接收设备进行测试，从而推动高精度GNSS接收设备的研发。

1 GNSS卫星信号采集回放系统的关键技术

1.1 采样定理

采样定理为模拟信号数字化的基础性理论之一，在GNSS信号采集应用中可进一步分为低通采样定理与带通采样定理[1]。

（1）低通采样定理

低通信号为f(t)，而低通信号的采样过程 为周期性冲击函数δ（Tt）与低通信号为f(t)的乘积，进一步根据频域卷积定理可得：

当抽样频率大于等于两倍的截止频率时，即sω≥时，则频谱无混叠问题（见图1），可将低通滤波信号无失真地转化为原始信号；若sω＜2mω，则可出现混叠问题，抽样频率失真（见和图2），此为低通采样定理。

图1 高抽样频率时的抽样信号及其频谱

图2 低抽样频率时的抽样信号及其频谱

（2）带通采样定理

低通采样原理主要用以处理(0,fm)频率范围内的基带信号。对于带限频率对于频率限制在fL与fH之间的带通型信号，由于 范围内采样频率过高，导致低通采样原理无法适用。带通采样定理则将信号设为f(t)，对其展开采样时，采样速率fs需满足式（2）：

式（2）中B为fH-fL，N为小于等于 的最大正整数，M为 ，在采样速率fs下得到的 可还原出中频信号fs。带通采样定理在实际使用时通常需引入抗混叠滤波器，调节信号频率，以此得到带通信号，将信号统一为中频信号。

1.2 模数转换技术

模数转换主要借助模数转换器（ADC）完成，经过采样、量化、编码后将模拟信号转化为数字信号。①采样：需选取符合低通、带通采样定理的采样率，以此规避信号频谱混叠问题。②量化：将连续变化的采样信号幅度分级处理则为量化过程，分级间隔均匀的量化称之为均匀量化，此时产生的量化电平为常数，其数值大小与量化级数、变化范围有关。③编码：经处理后的模拟信号可用不同整数倍的量化点评表示，此时可产生量化位数（1倍数量化电平），在不同信号场合下可存在多种编码方式，采用特定编码方式即可完成数字编码过程[2]。

1.3 数模转换技术

数模转换器（DAC）的作用与模数转换器（ADC）的作用是相反的，数模转换是将数字信号转换为模拟信号的过程。数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字模拟转换。

2 GNSS卫星信号采集回放系统的关键技术指标

基于与GNSS卫星信号采集回放系统关键技术原理分析，既要考虑到RFRP（Radio Frequency Record Playback射频信号记录回放）的技术特点，又兼顾GNSS导航信号的技术特点[3]。

2.1 射频信号通用特性

（1）带宽：该指标决定了导航信号采集回放仪每通道能够采集的信号带宽；

（2）带内平坦度：评价回放信号的线性失真程度；

（3）无杂散动态范围：采集回放信号中最大杂波分量相对于载波电平的大小。

（4）回放信号功率特性：对采集回放仪的回放信号输出功率控制性能进行评价，包括：功率范围、绝对功率准确度、功率线性等。

（5）回放信号频率特性：对采集回放仪的回放信号的输出频率性能进行评估，主要包括频率偏差和频率稳定度。

2.2 GNSS卫星信号采集回放质量特性

（1）GNSS卫星信号类型：评价导航信号回放仪是否能够正确采集和回放各星座、频点的导航信号。

（2）GNSS卫星信号回放质量：包括：伪距准确度、伪距变化率准确度和定位回放一致性等决定该信号是否能够满足导航要求的指标。

3 GNSS卫星信号采集回放系统的具体实现方式

随着 GPS，GLONASS，Galileo，BeiDou等四大卫星系统的迅速发展，GNSS卫星信号采集回放系统逐渐受到了各高校、研究所与企业的重视，纷纷加大了科研与资助的力度，研制了基于硬件、软件及混合架构的信号采集回放仪。张婉明等[4]基于ARM与FPGA设计了一种便携式卫星信号采集回放系统，使用SSD做存储介质增加了系统的灵活性。王海洲等基于软件无线电的方法对卫星信号进行采集回放，通过卫星模拟器和真实信号采集回放实验验证了系统的正确性。目前国内外GNSS卫星信号采集回放产品较多，例如Bird X-COM IQC5000B、NI PXIe-1082、Spirent GSS6450、LabSat 3、湖南卫导 PRS2000、湖南矩阵REC7640等[5]。本文分析了基于软件无线电外设（USRP）的GNSS卫星信号采集回复系统的基本实现形式[6]，利用司南J350s板卡进行了实验验证。

3.1 采集系统

在主机CPU支撑下对信号波形进行处理，完成信号调制、解调，而采样过程则依托于FPGA，天线接收到射频信号将展开滤波、放大等预处理，完成后则模拟信号经过ADC时完成数模转化，最终GNSS信号经PCI接口、以太网后传输至主机，以此完成信号采集，采集的逆过程则为信号回放过程，而承载此数据处理过程的平台可采用USRP平台。

采集系统的设计应依托于USRP平台信号接发过程，展开GNSS卫星信号采集系统设计时，可采用B210系列USRP平台，射频收发芯片包括独立的接收端口及发送端口，射频范围为70MHz～6GHz，B210系列USRP平台可通过USB接口与主机连接，无须外接子板即可完全集成化。B210系列USRP平台包含低噪声放大器（LNA）、频带整形滤波器、混频器、正交（Q）放大器，由射频天线接收GNSS信号后需经过放大与滤波预处理，且在功分器作用下将GNSS信号引入模数转换、变频过程，并将操作完成后的数据存储至计算机，此外另一部分GNSS信号将被接入司南J350s接收板卡，在司南J350s接收板卡辅助下完成信号参数采集与记录，在后续回放实验中，可将回放信号接入司南J350s接收板卡，司南J350s接收板卡可完成原始信号数据与回放数据的进一步对比分析，以此确保采集信号与回放信号相对应。

3.2 回放系统

采集系统可直接将所采集到的信号数据存储至电脑硬盘，而回放系统存储数据可经过无插值选项的可编程FIR滤波器，经FIR滤波器输出后被传递至插值滤波器，通过额外滤波与速率插值处理后到达DAC，经Q通道与I通道后进入RF模块展开变频。为确保回放信号保真度，可借助司南J350s接收板卡完成回放信号验证处理，与采集系统原始信号数据参数对比，以此了解到回放信号质量效果。

GNSS卫星信号采集回放系统的最小通道带宽应能满足至少一个频点的导航信号的采集，各导航信号的带宽在2.096MHz(GPS L1)～51.150MHz（Galileo E5)之间，具体如下表：

表1 GNSS卫星信号频率及带宽

3.3 载噪比估计算法

信号质量通常借助信噪比（SNR）代表，其为信号功率PR与噪声功率N间的比值，即信噪比参量均与噪声带宽有关，每次应用信噪比存在不便，信噪比与载噪比间存在对应关系，因此可借用载噪比了解信号质量，载噪比为（C/N0），与噪声带宽数值无关，其具体计算方式为载噪比是表示信号能量与1Hz带宽的噪声能量的比值，其大小与接收机所采用的带宽无关，高的载噪比可以提供更好的信号接收率、通信质量和提高可靠性。

对于接收机的噪声系数，其第一级低噪放的噪声系数对其影响最大，假设接收机噪声系数≈低噪放噪声系数，根据本标准中对检定设备的要求，应小于1.5dB，按1.5dB计算，则接收机在输入功率为-130dBm时，应不低于42.5dBHz，一般接收机在≥40dBHz时，均可以正常工作。

4 结束语

综上所述，本文展开了GNSS卫星信号采集回放系统基本原理以关键指标的分析，以采样定理、模数转换技术和数模转换技术为理论基础，以B210系列USRP平台为支撑，借助司南J350s接收板卡，论证了GNSS卫星信号采集回放系统实现的方式。