基于文件产生与播放的北斗卫星导航信号模拟源的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种北斗卫星信号模拟源设计与实现方法，属于卫星导航与测试领 域。
【背景技术】
[0002] 信号源或称信号发生器是现代电子系统设计和开发的基本仪器，随着技术和市场 的高速发展，现代信号源迫切要求能产生各种体制、复杂环境的综合信号。与国外综合信号 源相比，国产综合信号源还存在一定差距，为了培育国产综合信号源的民族产业，打破国外 的相关技术垄断，并结合我国自主设计的北斗卫星导航系统的优势，开展了结合微波矢量 信号源的北斗卫星导航信号模拟方法研究。
[0003] 本发明利用通用计算平台的信号文件产生，以任意波播放信号源仪器平台为基 础，实现一种便于向信号源仪器移植的北斗卫星导航信号模拟方法。本发明不同于专用的 卫星导航信号模拟器，采用的文件产生和播放方式对系统硬件要求低；同时也不同于采集 回放式的信号源，用通用计算机平台产生信号可以模拟复杂的用户场景环境，达到信号产 生的多样性和系统硬件的低复杂性相结合，为北斗卫星导航接收机开发生产和应用提供的 技术支持。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种北斗卫星信号模拟源设计与实现方法，能够 用比较简单的系统硬件，产生单点的静态接收机模拟信号和复杂的航迹场景动态接收机模 拟信号，以解决通用信号源平台的北斗卫星导航信号模拟问题。
[0005] 本发明的技术方案提供一种基于文件产生与播放的北斗卫星导航信号模拟源设 计方法，包括导航数据文件产生与播放系统设计，其设计要点概括为以下步骤：
[0006] 步骤1建立时间关系模型，模拟卫星与接收机的相对运动。通过载波时延体现载 波多普勒效应，计算每一个信号采样点的实际信号传播时延，模拟信号的传播特性，实现载 波多普勒和码多普勒的动态变化。
[0007] 步骤2通过模块化设计思想，结合任意波信号发生器，设计并实现模拟源播放系 统。播放系统采用FPGA作为核心处理单元，DDR2作为数据存储载体，采用FPGA+DDR2的数 据读写方式。主要包括数据存储模块、时基模块、中频信号生成模块、数模转换模块和射频 丰旲块。
[0008] 步骤3通过FPGA对数据存储模块的读写进行控制，用来缓存由PCI总线从工控机 传输来的导航数据，并为后续各个功能模块提供数据来源。
[0009] 步骤4借助于DDS建立时基模块，为整个系统提供基础工作时钟。并通过设计跨 时钟域处理功能模块来避免因 PCI总线接口时钟与DDR2 SDRAM时钟速率以及DDR2 SDRAM 与DAC时钟速率不一致而导致的数据混乱。
[0010] 步骤5中频信号生成模块根据导航数据原始格式对从数据存储器中读取的数据 进行信号还原，包括数据映射、重采样和上变频。数据映射模块用来将2bit量化数据映射 成对称的16位补码形式，从而避免直流分量的引入。重采样模块则根据原始采样数据的采 样率将其提高到与DAC工作时钟一致。上变频模块通过对载波NCO进行设计，将北斗信号 数据进行频谱搬移，从而减小相邻主瓣间的影响，提高定位效果。
[0011] 步骤6数模转换模块将还原后的数字中频信号转换为模拟中频信号，经差分放大 和滤波后送入射频模块；射频模块对中频模拟信号进行再次混频，产生射频信号。
[0012] 步骤7卫星导航数据经过以太网传输给工控机并存放于存储盘中，然后经由PCI 总线将数据缓存到DDR2中，并且在连续播发模式下通过本地数据总线将读取的数据送入 数据处理模块，进行增采样等数字信号处理生成数字中频信号后由DAC进行数模转换。将 DAC输出的中频模拟信号送至射频端进行混频，根据北斗卫星信号设置射频载波功率和载 波频率参数，然后发送至天线产生射频信号，实现卫星信号模拟源的生成。
[0013] 有益效果
[0014] 以微波矢量信号源为基础的北斗导航信号模拟方法，能够为北斗接收机的研制开 发、测试提供真实仿真环境；可以模拟单点定位、航迹模拟和高动态等接收信号，并且信号 参数可根据载体的运动状态进行更改。另外，该产生软件方便在计算机通用平台上移植，信 号文件可以加载到其他类似的测量仪器中。
【附图说明】
[0015] 图1本发明的播放系统架构图。
[0016] 图2本发明数据处理模块结构图。
[0017] 图3本发明系统各模块之间数据速率示意图。
[0018] 图4本发明中频信号生成模块示意图
[0019] 图5本发明中滤波器系数集与差值系数集时域响应图
[0020] 图6 CORDIC算法实现载波NCO结构图
[0021] 图7螺旋上升航迹场景的北斗卫星导航信号接收机定位效果图
【具体实施方式】
[0022] 为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明 做进一步的介绍。
[0023] 本发明方法中涉及到北斗卫星中频信号模型建立与模拟源播放系统的设计实现。
[0024] 本发明的一种基于文件产生与播放的北斗卫星导航信号模拟源设计方法，包括以 下步骤：
[0025] 步骤1在不考虑多径误差及其他信号干扰的情况下，以Λ = +为采样率，第i颗卫 星BlI支路中频数字信号可表示为：
[0027] 其中，A为测距码振幅A为导航数据（对于ME0、IGS0为经NH码调制后的导航数 据）A为测距码；灼为载波初始相位；Rncilse为噪声信号。式⑴可以转换成下式表示：
[0029] ττ为第i颗北斗卫星信号在传播过程中的伪码延时和载波延时，包含了 电离层延时、对流层延时和钟差，可以通过下面的形式求取：
[0031] 其中τ。、τι、τ2、τ3为相继间隔At的四个时间点传播时延，其初始值可以通过 收敛的迭代算法计算出。u d、a/是传播时延的一阶变化率以及二阶、三阶导数，队是 将At进行均匀抽样后的时间序列。
[0032] 根据（2)式生成含有时变伪码相位与载波相位的单颗星信号，然后将计算得到的 所有可见星叠加得到多颗星的复合信号。然后将多颗星复合信号进行2bit量化，最终得到 北斗信号中频数据文件。
[0033] 步骤2通过模块化设计思想，结合任意波信号发生器，设计并实现模拟源播放系 统，如图1所示。本文中卫星导航信号生成方案采用FPGA+DDR2的读写式结构，即由FPGA 对导航数据在DDR2中的读写进行控制，将导航数据按照一定的格式写入DDR2,然后再按照 相应数据格式将导航数据读取，进行后续处理后发出。模拟源播放系统主要包括PCI总线 控制模块、数据存储模块、时基模块、中频信号生成模块、数模转换模块和射频模块。
[0034] 本发明选用PLX公司的PCI9054芯片作为PCI总线与本地总线之间连接的桥梁， 在PCI接口芯片主传输工作模式下，通过PCI总线直接对系统的处理器和存储器读写进行 控制，从而实现系统工作模式的配置切换和存储器数据的动态更新。
[0035] 步骤3数据存储模块采用FPGA控制的DDR2实现，主要用来缓存由PCI总线从工 控机传输来的导航数据。因本发明中涉及到跨时钟域数据传输，从DDR2中读取数据的时钟 需经时钟同步模块进行同步处理，以避免数据传输过程中出现混乱。数据需经数据处理模 块转换成以原始数据的采样率并按单个采样点传输的形式，数据处理模块如图2所示。本 发明采用一个位宽为256bit、深度为1024的FIFOl对读取的数据进行缓存。当FIFOl半 满状态时，停止FIFOl数据的写入。播放系统中数据文件为2bit量化，为了保证导航数据 的连续性，需按采样点对数据进行处理。所以，通过位宽转换模块将256bit数据流进行串 并转换，使导航数据在采样时钟samp_in的触发下以