代 君,王曉璐,劉戰(zhàn)合,王 菁

(鄭州航空工業(yè)管理學院 )

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北斗中頻信號仿真研究*

代 君,王曉璐,劉戰(zhàn)合,王 菁

(鄭州航空工業(yè)管理學院 )

北斗衛(wèi)星信號作為北斗系統(tǒng)中必不可少的一部分，對研究北斗衛(wèi)星系統(tǒng)有重要的理論和實際意義.以Matlab為平臺，以北斗信號仿真為目標，對北斗中頻信號進行了仿真與實現(xiàn).首先，在研究衛(wèi)星信號傳播的基礎上，提出了北斗中頻信號仿真的總體構(gòu)架.然后，在CBI碼信號生成原理的基礎上，對CBI碼進行了Matlab仿真和驗證.通過對不同衛(wèi)星CBI碼的相關性分析驗證了仿真生成的CBI碼的正確性.最后，基于擴頻調(diào)制和載波調(diào)制的基本原理，采用16.367667MHz的采樣率將CBI碼調(diào)制到4.123968MHz的中頻信號上.通過對信號時域和頻域進行分析，驗證了仿真信號的正確性和仿真方案的可行性.

北斗;測距碼;擴頻調(diào)制;BPSK調(diào)制

0 引言

導航定位系統(tǒng)在軍事、民用各方面都起著至關重要的作用，它作為強國的基礎設施之一，也是未來發(fā)展的必然趨勢[1].繼美國、俄羅斯、歐洲相繼建立和發(fā)展了定位導航系統(tǒng)之后，中國也成功建立了北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)的發(fā)展和應用不僅對其他定位導航系統(tǒng)產(chǎn)生了強有力的競爭，更重要是使中國在世界提高了地位，有著重要的戰(zhàn)略意義 .北斗衛(wèi)星信號作為北斗系統(tǒng)中必不可少的一部分，對于衛(wèi)星信號的研究以及研究北斗衛(wèi)星系統(tǒng)有重要的基礎意義.

衛(wèi)星導航領域中的任何研究數(shù)據(jù)都必須真實可靠，這樣才能應用到實際中.但是真實的衛(wèi)星信號是夾雜著不斷變化的環(huán)境噪聲的高頻信號，如果使用硬件設備進行模擬，就必須考慮到高頻信號的多徑干擾及傳播延時等影響因素，從而導致硬件模擬設備復雜無比[2-3].采用軟件對衛(wèi)星信號進行模擬仿真，不僅利用軟件開發(fā)所具有的高效、低投入的優(yōu)點，還通過建立準確的衛(wèi)星信號數(shù)學模型，生成不同需求下的衛(wèi)星信號，這樣可以大大簡化軟件接收機捕獲、跟蹤及位置導航解算等算法的驗證難度.

信號模擬是研發(fā)和驗證北斗硬件接收機過程中必不可少的一部分.相比直接利用真實的衛(wèi)星信號，軟件模擬能夠提供精確可控、可重復出現(xiàn)的仿真信號，使接收機的研發(fā)時間和效率能夠得到保證[4-5].北斗信號模擬是衛(wèi)星導航研究領域的一項關鍵技術，不僅可以為硬件接收機的研發(fā)、測試提供仿真環(huán)境，也可以用于北斗系統(tǒng)的總體方案論證，因此對衛(wèi)星導航信號仿真技術的研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義.

1 北斗中頻信號實現(xiàn)總體構(gòu)架

在衛(wèi)星上，導航數(shù)據(jù)碼經(jīng)過擴頻碼和射頻載波調(diào)制后形成射頻模擬信號，經(jīng)衛(wèi)星天線發(fā)射[6]；在地面，射頻模擬信號經(jīng)北斗接收機的天線接收，又經(jīng)過接收機射頻前端的下變頻、濾波等處理后變成模擬中頻信號[7]；模擬中頻信號再經(jīng)過A/D(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，Analog to Digital Converter)轉(zhuǎn)換處理后成為數(shù)字中頻信號.

圖1 衛(wèi)星信號傳播

通過上述對北斗中頻信號傳播模型的分析，可以發(fā)現(xiàn)北斗數(shù)字中頻信號的仿真應該包偽隨機碼的仿真、擴頻調(diào)制、載波調(diào)制、信號量化(A/D轉(zhuǎn)換)的仿真等.各模塊之間的數(shù)據(jù)流關系如圖2所示.

圖2 北斗中頻數(shù)字信號總體構(gòu)架圖

導航電文計算模塊通過對一段時間內(nèi)的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和信號傳播延遲仿真數(shù)據(jù)按照相應的算法進行處理得到原始的導航電文信息.

觀測數(shù)據(jù)計算模塊仿真所有衛(wèi)星的狀態(tài)信息，如衛(wèi)星相對于用戶的觀測高度角，用于判斷衛(wèi)星相對于用戶的可見性.對于可見的衛(wèi)星，計算用戶到衛(wèi)星之間的幾何距離，即真距，同時加上信號傳播誤差仿真模塊計算出的各項傳播延遲即為用戶相對衛(wèi)星的原始觀測數(shù)據(jù).擴頻調(diào)制是將導航數(shù)據(jù)碼經(jīng)偽隨機碼CBI調(diào)制形成組合碼的過程.

載波調(diào)制計算模塊是將組合碼和載波進行調(diào)制計算得到中頻模擬信號的過程.

A/D轉(zhuǎn)換是將衛(wèi)星信號進行采樣使得中頻模擬信號變成中頻數(shù)字信號的過程.

數(shù)據(jù)文件存儲模塊最終將數(shù)字中頻信號按照一定的協(xié)議格式存儲成二進制數(shù)據(jù)文件，以便軟件接收機可以通過讀取數(shù)據(jù)文件對衛(wèi)星信號進行捕獲、跟蹤以及導航定位解算的分析.

2 CBI碼的生成與驗證

2.1 CBI碼基本原理[1]

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的一種，它工作的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置.當北斗衛(wèi)星行為系統(tǒng)的衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼(簡稱偽碼)發(fā)射導航電文.北斗信號測距碼(以下簡稱CB1I碼和CB2I碼)的碼速率為2.046Mcps，碼長為2046.CB1I碼和CB2I碼均由兩個線性序列G1和G2模二和產(chǎn)生平衡Gold碼后截短1碼片生成.G1和G2序列分別由兩個11級線性移位寄存器生成，其生成多項式為：

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

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

G1和G2的初始相位為：

G1序列初始相位：01010101010

G2序列初始相位：01010101010

CB1I碼和CB2I碼發(fā)生器如圖3所示.

圖3 CBI碼發(fā)生器示意圖

衛(wèi)星的PRN碼與延時的量是相關聯(lián)的，對CBI碼來說,每顆衛(wèi)星都有特別的延時，通過G2相位選擇可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)不同的偽隨機碼，從而可以實現(xiàn)不同衛(wèi)星之間的碼分多址技術與衛(wèi)星識別[8].

2.2 CBI碼生成與驗證

對CBI碼模塊的實現(xiàn)進行程序仿真，設計流程的文字表述如下：

定義好兩個數(shù)組代表移位寄存器G1和G2；

用一個switch的循環(huán)來選擇不同的衛(wèi)星號，從而選擇不同衛(wèi)星相位選擇器的移位寄存器的抽頭，即數(shù)組中不同位置的數(shù)，即產(chǎn)生不同衛(wèi)星G2的輸出；在數(shù)組中數(shù)值平移的過程中，G1和G2異或即可生成該衛(wèi)星CBI碼；

根據(jù)設計流程，給出程序流程圖如圖4所示.

圖4 CBI碼模塊流程圖

根據(jù)圖，編寫CBI碼模塊程序，得到的PRN號為1的衛(wèi)星的CBI碼的部分矩形波形如圖5所示.

圖5 PRN 1 CBI碼碼片矩形圖

為驗證仿真產(chǎn)生的CBI的正確性，對PRN號為1的衛(wèi)星CBI碼碼片作自相關運算，得到的結(jié)果如圖6所示，可以看出PRN號為1的衛(wèi)星CBI碼具有良好的自相關性.

圖6 PRN1 CBI碼碼片自相關圖

僅僅分析1顆衛(wèi)星CBI碼的特性并不具有一般性，該文又繼續(xù)仿真了PRN號為2的衛(wèi)星的CBI碼進行分析，它得到的CBI碼如圖7所示.

圖7 PRN2 CBI碼碼片矩形圖

進一步繼續(xù)驗證仿真產(chǎn)生的PRN號為2的衛(wèi)星CBI的相關性，也對該顆衛(wèi)星進行自相關運算，如圖8所示，可以看出PRN號為2的衛(wèi)星CBI碼也具有良好的自相關性.

圖8 PRN2 CBI碼碼片自相關

最后驗證PRN1衛(wèi)星與PRN2衛(wèi)星CBI碼的互相關性，將這兩顆衛(wèi)星的CBI碼作互相關運算，如圖9所示.可以看出這兩顆衛(wèi)星的CBI碼幾乎不相關，這種互相關很小、接近于正交的特性有助于減少不同北斗衛(wèi)星信號之間互相干擾，從而極大地滿足了接收機進行解擴時對為不同衛(wèi)星信號區(qū)分的功能.

圖9 PRN1與PRN2 CBI碼碼片互相關

從上述的分析和仿真中，可以看出PRN號為1和2的衛(wèi)星CBI的設計滿足CBI碼的原理和特性要求，又通過與書本上標準的CBI碼進行對比，可以看出仿真實現(xiàn)的CBI碼與標準的CBI碼一致，最終證明了PRN號為1和2的衛(wèi)星CBI碼是正確的.此外，也對其他衛(wèi)星的CBI碼進行與PRN號為1和2的衛(wèi)星CBI碼同樣的仿真處理，結(jié)果也顯示仿真生成的CBI碼具有平衡碼的特性以及良好的自相關性和互相關性，并且與書本上標準的CBI碼一致.

3 北斗中頻信號的生成與驗證

對信號調(diào)制模塊的實現(xiàn)進行軟件仿真，設計的流程如下：

(1)初始化基本數(shù)據(jù)信息，如光速、射頻頻率、中頻頻率、CBI碼頻率，D碼頻率、采樣頻率、仿真步長、仿真總時間等.

(2)讀取數(shù)學仿真軟件中的觀測數(shù)據(jù)信息和導航電文信息.

(3)初始化CBI碼以及D碼，并且變單極性碼為雙極性碼.

(4)調(diào)制.

(5)遍歷所有通道累加和路.

根據(jù)程序流程，流程如圖10所示

圖10 信號調(diào)制模塊流程圖

根據(jù)流程圖圖10編寫程序進行仿真，這里設置仿真步長等于采樣間隔，為1/16367667s，仿真總時間為0.02ms，仿真出的信號數(shù)據(jù)圖形如圖11所示.

圖11 信號時域波形

從圖11可以看出，信號雖然已經(jīng)離散化，但是仍然保持了良好的正弦特性.分析數(shù)據(jù)頻譜如圖12所示，從數(shù)據(jù)頻譜中可以看出，信號的帶寬約為4MHz，與原理上分析一致.

圖12 信號頻域波形

從信號時域圖圖11和頻域圖圖12均能證明，仿真出的信號與數(shù)學模型分析的基本一致，可以判定北斗中頻信號仿真的正確性.

4 結(jié)束語

該文在研究真實北斗信號傳播過程的基礎上，組建了中頻信號仿真實現(xiàn)的總體構(gòu)架.針對建立的軟件總體構(gòu)建，首先對偽隨機碼CBI碼進行了生成和驗證，在CBI碼正確可靠的基礎上，對北斗中頻信號進行了仿真生成，進而從時域和頻域分別對北斗中頻信號進行了分析驗證.結(jié)果表明，仿真中頻信號方案正確合理，仿真實現(xiàn)過程正確可信.

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

[2] 謝剛.GPS原理與接收機設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[3] 王鵬，蔡愛華.高動態(tài)GPS中頻信號仿真與驗證[J].現(xiàn)代導航,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] 陸娟,常青,張其善.十二通道GPS模擬信號源的硬件設計[J].北京航空航天大學學報,2003,48(4):331-334.

[7] 任曉岳，盧虎.高動態(tài)GNSS自適應矢量跟蹤環(huán)路[J].計算機仿真,2014(2).

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

(責任編輯：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

*河南省科技廳資助(162102210237)；航空科學基金(2014ZA55001)；河南省教育廳(15A590001)；鄭州航空工業(yè)管理學院青年基金項目

V448.25

A

1000-5617(2016)03-0037-05