基于FPGA的GLONASS中频信号模拟器设计

陈鹏飞,孙克文,杨东凯

(1.合肥工业大学计算机与信息学院,安徽 合肥 230009；

2.北京航空航天大学 电子信息工程学院,北京 100191)

基于FPGA的GLONASS中频信号模拟器设计

陈鹏飞1,孙克文1,杨东凯2

(1.合肥工业大学计算机与信息学院,安徽 合肥 230009；

2.北京航空航天大学 电子信息工程学院,北京 100191)

摘要：为了模拟生成卫星导航信号,为卫星导航接收机的研发、测试提供仿真环境,提出了一种基于FPGA的格洛纳斯(GLONASS)中频信号模拟器设计方法,简要介绍了GLONASS卫星导航系统和信号体制,通过软硬件结合的方法进行了GLONASS中频信号模拟器的总体设计方案以及中频处理单元主要接口电路的介绍。经仿真与验证,该设计方法能产生精确的GLONASS中频信号。

关键词：格洛纳斯;中频;设计;验证

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.018

中图分类号：TN967.1

文献标志码：： A

文章编号：： 1008-9268(2015)02-0081-07

收稿日期：2015-01-09

作者简介

Abstract:In order to generate satellite navigation signal and provide a simulation environment for the development and test of navigation receiver, which proposes a design method of GLONASS IF Signal Simulator Based on FPGA. A brief introduction of GLONASS satellite navigation system and signal system, carried out the overall design of GLONASS IF(Intermediate Frequency) signal simulator by the combination of software and hardware methods, as well as introduction of main interface circuit of the IF(Intermediate Frequency) processing unit. Through the simulation and verification, this design method can generate accurate GLONASS IF(Intermediate Frequency) signal.

0 引言

全球卫星导航系统(GNSS)的应用越来越广泛,几乎涉及到各行各业和生活中的各个领域[1]。导航信号模拟器可以精确模拟产生高动态GPS、GLONASS、GALILEO和BeiDou卫星导航信号,对于GNSS接收机的研发起着关键作用,为其提供仿真环境,可以对其各方面性能进行评估,验证它的捕获、跟踪以及定位[2]。本文所研究的模拟器是在国家高技术研究发展计划的支持下研发和设计,有着重大实践意义[3-5]。

随着俄罗斯对GLONASS卫星导航系统的现代化改造与升级,GLONASS成了与GPS完全独立的一套卫星导航系统,它采用频分多址(FDMA)系统,GPS采用码分多址(CMMA)系统[6]。GLONASS卫星导航系统相对于GPS导航系统在高纬度具有更好的定位结果,可以与GPS导航系统联合使用,提升全球卫星导航系统的性能。所以对于GLONASS模拟器的研究具有非常重大的意义[7-9]。本文简要介绍了GLONASS卫星导航系统和其信号体制,通过软件与硬件结合的方法进行了GLONASS模拟器的总体方案设计。提出了一种基于FPGA的GLONASS中频信号设计方案,重点研究了GLONASS中频信号的设计方法,并且对GLONASS模拟器中频信号、射频信号给出仿真和验证结果。

1GLONASS系统与信号体制

GLONASS系统是由俄罗斯研发的全球卫星导航系统,它包括三大部分分别为空间段、地面段和用户段。空间段包含由21颗工作卫星与3颗备用卫星构成的卫星星座。地面段主要作用是利用监测数据对系统的整体控制和维护。用户段作用则是进行GLONASS导航信号的捕获跟踪与解算定位。

GLONASS信号结构由三个部分构成,载波、伪随机测距码和导航电文。有L1与L2两个频段信号,文中主要以GLONASS L1频段的信号为研究对象。与GPS系统相比,GLONASS系统采用频分多址(FDMA)复用技术即不同的卫星使用不同的频率播发卫星导航信号,而所有的卫星使用相同的CA码,信号可靠性更好[10]。GLONASS的频率规划如下:

fK1=f01+KΔf1，

(1)

fK2=f02+KΔf2，

(2)

资助项目： 国家高技术研究发展计划(863)(批准号:2011AA120501)

联系人： 陈鹏飞E-mail:pengfei_hfut@163.com

式中,K为GLONASS卫星发送信号的频道号,在L1和L2子带内分别对应为

f01=1602MHz，Δf1=562.5kHz,

f02=1246MHz，Δf2=437.5kHz.

由以上的频率规划,给不同频道号的卫星载波划分不同的频率。对于GLONASSL1信号的伪随机码又称测距码,采用的是一个9级移位寄存器来产生。其生成多项式为式(3)所示:

g(x)=1+x3+x5.

(3)

导航电文是卫星信号中描述卫星运行状态的参数,是定位和导航的基础数据,也叫数据码,是以数据帧的格式传输的[11]。

2GLONASS中频信号生成总体方案设计

GLONASS模拟器系统主要包括上位机数仿软件单元、中频处理单元和射频调制单元三个部分。上位机数仿软件单元用于人机交互界面和基带数据生成,根据其定义的试验环境、卫星系统及载体状态信息,模拟生成相应系统相应卫星的导航电文和卫星观测数据。中频处理单元是用于产生GLONASS模拟器中频信号,它对于整个模拟器的研发来说非常重要,是硬件实现的核心部分,其中中频信号的产生是由基于FPGA-DSP设计的电路产生。中频处理单元通过PCIE接口读取从上位机单元传输到NI机箱的的导航电文和卫星观测等数据,通过内部的数字信号合成模块生成相应的数字中频信号,并经过DAC模块生成模拟中频信号。射频调制单元将模拟中频信号上变频到相应卫星实际发射导航信号的射频频点上,再通过天线或电缆输出。所设计的GLONASS模拟器中频处理单元总体设计框图如图1所示。

图1　GLONASS模拟器中频处理单元总体设计

中频电路总体设计主要包括FPGA模块,DSP模块,电源模块,SRAM模块、DAC模块五大部分。

FPGA模块是中频处理单元的核心,功能包括控制通过PCIE总线与上位机进行高速数据传输、与DSP间的数据通信(EMIF总线)、数字中频信号合成(包括时基电路、码NCO、载波NCO、扩频码发生器、导航电文FIFO、扩频调制、数字合路等)、DAC控制等。DSP模块将上位机数仿软件单元实时计算出的各卫星观测数据及导航电文数据从缓存区(SRAM)读出并解算,解算完成之后重新放入缓冲区中,并完成数据传送、流量控制、各卫星通道的参数控制、状态检测和反馈等工作,同时DSP模块还通过I2C总线控制射频调制单元的射频信号功率。DAC模块功能是上变频与将数字中频信号转换成模拟中频信号。FPGA模块通过读取缓冲区中DSP解算完成后的数据,实现相应卫星导航信号的中频数字信号合成,经DAC模块上变频并转换成相应的模拟中频信号输出。以便向射频调制单元提供合适的模拟中频驱动信号。电源模块与SRAM模块为中频处理单元提供了电压电流与存储空间,是中频处理单元必不可少的一部分。

这种结构能够非常好的符合本设计平台的各项要求,同时具有通用性,可以通过改变加载在中频处理单元的FPGA和DSP中的程序从而改变中频处理单元的功能。具有非常好的灵活性和可重构特性。

短程硝化反硝化生物脱氮影响因素与实现途径……………………………………李 娜，胡筱敏，李国德，等（1.7）

GLONASS模拟器中频信号生成是基于FPGA完成的,主要包括码控制字寄存器模块、码NCO模块、载波NCO模块、导航电文模块、扩频调制模块、BPSK调制模块。FPGA从SRAM中取出相应的信号控制字,并加载给各控制字寄存器,并产生相应的伪随机码(CA码)、载波、导航电文。伪随机码和导航电文进行扩频调制再与载波进行BPSK载波调制,并将多路信号进行合成调制到中频输出,生成方案如图2所示。

图2　GLONASS中频信号生成

3GLONASS模拟器中频处理单元主要原理图设计

原理图设计使用Cadence公司的OrCAD Capture软件工具,采用层级结构和模块化设计思想。原理图的设计将整个电路的功能划分为五大模块,分别为FPGA模块、DSP模块、DAC模块、电源模块、SRAM模块。FPGA是中频硬件电路的核心控制芯片,在硬件上,FPGA连接着DSP、SRAM、DAC及NI机箱插槽的PCIE接口等外设。此外,还有一些自身的配置电路如时钟电路、FLASH配置和JTAG接口等。本文主要介绍FPGA与DSP、DAC、SRAM的主要接口电路原理图。

FPGA选用的是XILINX公司的Virtex-6系列的XC6VLX240T-1156,芯片封装管脚数为1 156,其主频约为700 M,37 680个Slice,约15 Mb的Block RAM,768个DSP48E,资源相对比较丰富。其内部的I/O BANK的分布如图3所示。

图3　XC6VLX240T-1156的I/O BANK分布[12]

3.1　FPGA与DSP接口电路

本设计中,FPGA与DSP通过EMIF接口进行连接,(将FPGA外扩为一个32 bit数据宽度的异步SRAM)。EMIF接口,称为外部存储器接口。FPGA的I/O BANK25,BANK26和BANK36管脚接的是DSP EMIF接口的数据线DSP_ED_L1～ DSP_ED_L31、地址线DSP_EA_L2～DSP_EA_L21和控制线DSP_CE_L0～DSP_CE_L3,如图4所示.

3.2　FPGA与DAC接口电路

DAC模块实现的功能包括数字中频信号到模拟中频信号的转换以及实现上变频到中频信号的频率,并送入到射频信号产生处理单元,生成GLONASS相应频点的卫星导航信号。这一功能的实现采用Analog Device公司生产的AD9779A芯片来实现。

FPGA可通过串行外设接口(SPI)总线对AD9779A的内部寄存器进行配置或读取,SPI由4根线组成,分别是:串行时钟(SCLK)、片选信号(CSB)、串行数据输入(SDI)、串行数据输出(SDO)。FPGA与DAC模块的接口原理图设计如图5所示。

3.3　FPGA与SRAM接口电路

SRAM有两组,每组SRAM由两片寻址位数为20 bit,数据宽度为16 bit的SRAM组成,地址线和控制线共用,从而每组SRAM的容量为4 MB,数据宽度为32 bit.SRAM的数据、地址和控制总线均与FPGA的I/O管脚相连,DSP的EMIF总线和PCIE总线的数据、地址和控制总线也与FPGA的I/O管脚相连,这样可通过FPGA内部的状态机控制,实现不同时段PCIE、DSP和FPGA对SRAM的访问;而且为了保证FPGA能够实时和连续传送数字中频数据给DAC模块,FPGA需要连续不断的读取SRAM中卫星信号状态控制字,从而采取两组SRAM进行“乒乓式存储”。即两组SRAM每隔1 s切换一次实现乒乓式存储上位机传送的数据包,在第1 s,上位机通过PXIE接口写入数据写到第一组SRAM,完毕后DSP开始读取第一组SRAM中卫星观测数据,进行各通道卫星状态控制字计算,并将控制字存储到第一组SRAM中相应位置,同时FPGA读取第二组SRAM中的卫星信号状态控制字;在第2 s,上位机发送的数据被写入第二组SRAM,DSP读写第二组SRAM存储器,FPGA读取第二组存储器中第1 s计算出的信号状态控制字,以此类推[13-14]。两组SRAM即4个 2 MB的SRAM与FPGA的I/O BANK12,13,14,15,16和BANK23管脚相接,接口图如图6所示。

图4　FPGA与DSP接口电路

图5　FPGA与DAC接口电路

图6　FPGA与SRAM接口电路

4系统功能验证

本文着重研究GLONASS模拟器中频信号设计,从基带导航电文经过扩频调制、载波调制、多通道数字合路、数字正交上变频、D/A转换到模拟中频信号产生的硬件实现过程,这是整个GLONASS中频信号模拟器硬件信号产生的核心环节。中频信号模块是上位机数仿软件、射频模块的桥梁,可从以下两个方面进行验证。

2) GLONASS模拟器验证,即对模拟器输出的射频信号进行测试。这部分的测试必须与高性能GLONASS接收机进行连接。本设计采用NovAtel公司研制的NovAtel接收机以及清华大学研制的GNSS软件接收机进行验证。通过对模拟器射频信号的捕获、跟踪结果分析可以判断模拟器中频信号的可靠性,根据信号定位结果可以判断整个系统的准确性。

4.1　FPGA仿真功能测试

使用Modelsim进行仿真验证功能实现。DDS模块对于GLONASS模拟器中频信号的生成非常重要,它负责产生载波调制所需的波形,而载波调制需要平滑的正余弦波形。如图7所示是载波DDS模块的仿真图,可以明显的看到DDS模块产生了平滑的正弦波和余弦波,满足载波调制的需求。

图7　DDS模块仿真图

中频扩频调制的验证可以使用安捷伦示波器观察导航电文与伪码的模二和。将程序下载到中频信号处理单元的FPGA与DSP中,可将上位机仿真软件产生的观测数据和导航电文传输给中频电路产生中频信号。运行之后,使用安捷伦示波器观察的波形如图8所示。图8中最上面的波形为原始伪随机码波形,最下面的波形为导航电文,中间的波形为导航电文与原始伪随机码进行异或之后的结果即中频扩频调制结果。

程序加载后还可以通过频谱分析仪观看中频信号的频谱,中频信号的频谱如图9所示。由于GLONASS导航信号采用的频分多址即不同的卫星对应的频率不同,从频谱上可以看到多颗可见星的频谱,与实际情况一致。

图8　导航电文与伪码的扩频调制

图9　GLONASS中频信号BPSK频谱图

4.2　GLONASS模拟器接收机验证

GLONASS中频信号经射频单元调制成射频信号,可用GLONASS接收机对射频信号进行验证。采用NovAtel公司研制的NovAtel接收机与清华大学研制的GNSS软件接收机分别进行信号的接收处理并给出定位结果,定位结果如图10和图11所示。

图10　NovAtel接收机定位显示

模拟预设纬度39.9、经度116.3、高度0,仿真时间从21/07/2014,04:30:00开始,载体运动状态为静止状态。图11中CCBF表示信号能够正确的捕获、跟踪。PRN号表示被捕获的可见星星号。

从图10与图11的定位结果可以看出,两种接收机的定位结果几乎一致,并且与预设的纬度、经度、高度值相差很小。说明本设计的模拟器产生的信号能进行准确定位即GLONASS模拟器射频信号是基本上可靠的、准确的,从而反映GLONASS中频信号是可靠的、准确的。但是根据定位显示的结果与预设的值对比,可知本设计存在细微精度误差,对其原因可能是由于上位机数仿软件计算卫星位置、伪距或多普勒产生的误差,也可能是由于GLONASS采用频分多址(FDMA)造成系统内干扰,可能使相邻频道之间存在着频谱干扰。在今后的研究中,会针对可能造成系统产生误差的原因,进一步进行优化系统设计。

5结束语

本文在GLONASS模拟器设计架构的基础上,提出了一种基于FPGA的GLONASS中频信号模拟器设计方案。通过软件与硬件平台的结合,完成GLONASS中频信号模拟器的设计,并采用Agilent示波器、频谱分析仪、NovAtel接收机以及清华大学研制的GNSS软件接收机对其可靠性、正确性进行了验证。验证结果表明该方案设计的中频信号、射频信号是可靠的、准确的,可用于GLONASS接收机研发阶段的调试和验证。

参考文献

[1] 王瑾, 卢晓春, 赵航, 等. GNSS空间信号质量评估系统接收通道性能测试[J]. 时间频率学报, 2012, 35(4): 235-243.

[2] 冀臻, 孙运强, 姚爱琴. GNSS卫星信号模拟器码和载波NCO研究与实现[J]. 电子测试, 2010, 11: 24-28.

[3] 候博,刘光斌.基于PXI的射频测试平台的多模卫星信号模拟器[J]. 西安电子科技大学学报, 2013, 40(1): 183-188.

[4] 李秋实, 姚铮, 陆明泉. 改进的软件GNSS中频信号模拟器设计[J]. 计算机仿真, 2013, 30(1): 120-123.

[5] LI Dong, YUE Fengying, SUN Lisen,etal. Study on GNSS satellite signal simulator [J].Journal of Measurement Science and Instrumentation, 2013, 4(4): 349-352.

[6] 刘丽丽， 王可东. 卫星信号模拟器研究现状及发展趋势[J]. 全球定位系统, 2010,35(3): 58-62.

[7] 邓洪亮, 王帅, 孙希延,等. GLONASS卫星信号模拟器设计与实现[J]. 桂林电子科技大学学报, 2013, 33(3): 200-204.

[8] 王文军, 吴新峰, 袁大克,等. GLONASS最新进展及其定位应用研究[J]. 遥测遥控, 2013, 34(6): 1-6.

[9] 雒喜平, 向才炳, 边少锋. GLONASS进展及定位性能研究[J]. 测绘通报, 2012, 20(1): 1-2.

[10]SJ/T 11418-2010, GLONASS ICD[S].中国电子技术标准化研究所，2011.

[11]谢钢.全球导航卫星系统原理GPS、格洛纳斯和伽利略系统[M]. 北京:电子工业出版社, 2013:164-186.

[12]XILINX Company. Virtex-6 FPGA packaging and pinout specifications [EB/OL]. http://www. xilinx.com.

[13]胡洪涛. 多体制GNSS信号模拟器中频信号源硬件设计与实现[D]. 北京: 北京航空航天大学, 2013.

[14]胡洪涛, 张波, 杨东凯,等. 基于FPGA的伽利略E5频段扩频码仿真及生成[J].计算机测量与控制,2013,21(10):2829-2831

[15]冀臻. GNSS卫星信号模拟器研究与实现[D].太原：中北大学, 2011.

陈鹏飞(1989-),男,硕士生,主要从事卫星导航、卫星导航信号抗干扰方向的研究。

孙克文(1979-),男,教授,硕士生导师,主要从事卫星导航、卫星导航信号抗干扰方向的研究。

杨东凯(1972-),男,工学博士,教授,主要从事卫星导航、GNSS-R遥感技术方向的研究。

GLONASS IF Signal Simulator Design Based on FPGA

CHEN Pengfei1,SUN Kewen1,YANG Dongkai2

(1.SchoolofComputerandInformation,HeFeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;

2.SchoolofElectronicInformationEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China)

Key words: GLONASS; intermediate frequency; design; verification