一种北斗卫星信号模拟器及其实现方法

摘要

本发明公开一种北斗卫星信号模拟器及其实现方法，主要由电源模块、时钟模块、液晶显示模块、单片机、FPGA处理模块、数模转换模块、上变频模块和信号衰减模块组成。电源模块部分完成一般220V交流电到单片机、FPGA、上变频等模块的5V和3.3V供电；时钟主要给单片机、FPGA、上变频提供标准的时钟频率；单片机主要进行12864液晶屏的显示控制、FPGA的控制、上变频模块的功率控制；FPGA主要进行GPS信号的生成，输出低中频的GPS数字信号；D/A模块完成FPGA的数字信号转换为低中频的模拟信号；上变频模块将低中频的GPS模拟信号转换为和室外GPS卫星一致的标称射频信号。本发明其能够对北斗卫星信号进行模拟，且具有携带方便和操作简单的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及北斗卫星导航及测试领域，具体涉及一种北斗卫星信号模拟器及其实现方法。

背景技术

北斗卫星导航系统（Compass）是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统（GNSS），是继美国的全球定位系统（GPS）和俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统由空间端、地面端和用户端三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。截止2012年5月在轨卫星12颗，已经初步具备区域导航、定位和授时能力。北斗卫星导航系统将在2020年形成全球覆盖能力。由于北斗卫星尚在建设中，因此若要对北斗接收机进行生产、测试和技术研究，测定接收机对卫星信号接收及定位性能，或者北斗接收机在弹载等复杂环境下的定位可用性等应用场合，则需要首先研制出北斗模拟器来模拟产生北斗系统的所有卫星导航信号，为北斗接收机的研制开发、测试提供仿真环境。然而，鉴于北斗卫星导航系统刚开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务，北斗卫星导航信号模拟器研究领域国外公开发表的技术文献很少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种北斗卫星信号模拟器及其实现方法，其能够对北斗卫星信号进行模拟，且具有携带方便和操作简单的特点。

为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：

本发明一种北斗卫星信号模拟器，包括模拟器，所述模拟器主要由电源模块、时钟模块、液晶显示模块、单片机、FPGA处理模块、数模转换模块、上变频模块和信号衰减模块组成；其中，

电源模块：根据模拟器的输出功率和模拟器内部各模块对电源的要求完成电源电压转换，为模拟器内部各模块提供线性稳压电源；

时钟模块：提供稳定的时钟给单片机，实现对整个模拟器的控制；同时给FPGA处理模块提供工作参考时钟并通过锁相环得到相应稳定的系统中断信号和通道同步脉冲，驱动FPGA处理模块内的基带板的工作；同时实现对模数转换模块的工作配置；同时给上变频模块提供所需标准的本振时钟；

单片机：首先通过串口与外部PC机相连，接收串口发来的卫星号设置和功率设置命令，进而控制FPGA处理模块产生相应卫星的C/A码和导航电文以及控制信号衰减模块；然后将接收到的卫星号发送到FPGA处理模块，实现单片机对FPGA处理模块的控制；同时控制模拟器的工作参数在液晶显示模块上进行显示；

FPGA处理模块：首先根据单片机发来的卫星号，通过查表的方法生成相应卫星号的导航电文；然后在码元相位和码频率字的控制下，产生相应码相位及码速率的扩频码，即生成相应的北斗卫星信号的C/A码，对所产生的导航电文数据码进行直接序列扩频；最后根据所设置的中频载波，在载波相位和载波频率寄存器的控制下，产生出所需频率及相位的数字正弦幅度值，与扩频调制码相乘，完成对载波的BPSK（二相相移键控）调制，将调制的数据流信号经过成型滤波器，然后将各通道数字中频北斗信号叠加后输出，送入到数模转换模块；

数模转换模块：把来自FPGA处理模块的已调制的数字中频北斗卫星信号转换为模拟北斗卫星信号，在通过模拟带通滤波器后输出给上变频模块；

上变频模块：接收数模转换模块转换后的模拟北斗卫星信号，将低中频的模拟北斗卫星信号经过上变频，变频到和室外北斗卫星信号一致的标称射频信号，送入信号衰减模块；

信号衰减模块；该信号衰减模块串接在上变频模块和北斗卫星信号输出口之间；信号衰减模块将上变频模块输出的射频信号的功率大小反馈至单片机，单片机根据设定的信号输出功率大小，控制信号衰减模块对上变频模块输出的射频信号进行衰减，以调整北斗卫星信号输出口输出的射频信号发射的功率大小；最后通过北斗卫星信号输出口输出给用户用于北斗卫星接收机的测试。

本发明一种北斗卫星信号模拟实现方法，包括如下步骤：

①单片机首先通过串口与外部PC机相连，接收串口发来的卫星号设置和功率设置命令，进而控制FPGA处理模块产生相应卫星的C/A码和导航电文以及控制信号衰减模块；然后将接收到的卫星号发送到FPGA处理模块，实现单片机对FPGA处理模块的控制；同时控制模拟器的工作参数在液晶显示模块上进行显示；

②FPGA处理模块首先根据单片机发来的卫星号，通过查表的方法生成相应卫星号的导航电文；然后在码元相位和码频率字的控制下，产生相应码相位及码速率的扩频码，即生成相应的北斗卫星信号的C/A码，对所产生的导航电文数据码进行直接序列扩频；最后根据所设置的中频载波，在载波相位和载波频率寄存器的控制下，产生出所需频率及相位的数字正弦幅度值，与扩频调制码相乘，完成对载波的BPSK（二相相移键控）调制，将调制的数据流信号经过成型滤波器，然后将各通道数字中频北斗信号叠加后输出，送入到数模转换模块；

③数模转换模块把来自FPGA处理模块的已调制的数字中频北斗卫星信号转换为模拟北斗卫星信号，在通过模拟带通滤波器后输出给上变频模块；

④上变频模块接收数模转换模块转换后的模拟北斗卫星信号，将低中频的模拟北斗卫星信号经过上变频，变频到和室外北斗卫星信号一致的标称射频信号，送入信号衰减模块；

⑤信号衰减模块将上变频模块输出的射频信号的功率大小反馈至单片机，单片机根据设定的信号输出功率大小，控制信号衰减模块对上变频模块输出的射频信号进行衰减，以调整北斗卫星信号输出口输出的射频信号发射的功率大小；最后通过北斗卫星信号输出口输出给用户用于北斗卫星接收机的测试。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、能够通过简单的电路构成实现北斗卫星信号的模拟，从而能够为北斗接收机的研制开发、测试提供仿真环境；当仅仅需要验证接收机的信号接收情况比如灵敏度测试时，可以只生成单通道的北斗卫星信号，模拟器就不需要大规模的信息计算，而节省大部分软硬件设计；

2、用户只需在卫星号和功率改变之处，通过串口完成北斗卫星的选择和功率选择，之后便能够将外部PC机与单片机分离，从而能够减小设备的体积，便于携带；

3、通过信号衰减模块能够对模拟器输出的北斗卫星模拟信号进行衰减，以是各种信号功率设置。

附图说明

图1为本发明一种北斗卫星信号模拟器的原理框图。

具体实施方式

参见图1，本发明一种北斗卫星信号模拟器，主要由电源模块、时钟模块、液晶显示模块、单片机、FPGA处理模块、数模转换模块、上变频模块和信号衰减模块组成。其中，

电源模块根据模拟器的输出功率和模拟器内部各模块对电源的要求完成电源电压转换，为模拟器内部各模块提供线性稳压电源。在本实施例中，电源模块根据模拟器系统输出功率和系统各个芯片及电路部分对电源的要求，电源模块采用占用空间小、纹波小以及电源质量好的线性稳压电源，以完成一般220V市电到5V的转换，给单片机、数模转换模块、上变频等模块电路供电。FPGA处理模块供电电压为3.3V，由FPGA处理模块内部基带板的电源管理芯片实现5V到3.3V的电压转换。

时钟模块提供稳定的时钟给单片机，实现对整个模拟器的控制；同时给FPGA处理模块提供工作参考时钟并通过锁相环得到相应稳定的系统中断信号和通道同步脉冲，驱动FPGA处理模块内的基带板的工作；同时实现对模数转换模块的工作配置；同时给上变频模块提供所需标准的本振时钟。

单片机为本模拟器的控制CPU，具体实现如下功能：

（1）通过串口与外部PC机相连，单片机进行通信模块控制，接收串口发来的卫星号设置和功率设置命令，进而控制FPGA处理模块产生相应卫星的C/A码和导航电文以及控制上变频功率。为了能够简化本模拟器的操作，连接在单片机上的外部PC机为普通电脑。连接单片机与外部PC机的串口为RS2322串口。此外，为了提高本模拟器的便携性，所述外部PC机无需一直连接在单片机的串口上，即当卫星号设置和功率设置通过外部PC机设置完成之后，该卫星号和功率参数能够存储在单片机内部，供后续相同卫星号和功率测试条件之用；只有当卫星号设置和/或功率设置需要改变时，才需要将外部PC机连接在单片机上。

（2）控制模拟器的工作参数（如当前所模拟的卫星号和输出的信号功率等）在液晶显示模块上进行显示。在本实施例中，所述液晶显示模块为型号是12864的液晶屏。

（3）将接收到的卫星号发送到FPGA处理模块，实现单片机对FPGA处理模块的控制。

（4）将接收到的上变频模块功率大小转变为信号衰减模块的控制信号发送到信号衰减模块，实现上变频模块输出信号的衰减。信号衰减模块衰减幅度可以是一个固定的值，并预先存储在单片机的内部，此次信号衰减模块只能实现固定衰减。但为了能够输出不同功率的北斗卫星模拟信号，在本实施例中，所述单片机上可以接收从串口传来的设置功率参数，以控制信号衰减模块的输出功率大小，以实现信号衰减模块的可变衰减。

FPGA处理模块的内部总共有12个通道，是模拟器的关键器件。包括时基电路、接口控制电路、C/A码发生器、导航电文发生器、码NCO（数控振荡器）、载波NCO、BPSK调制器等，总体功能是完成北斗信号三种成份的生成和最终调制：

（1）FPGA处理模块内部收到单片机所发卫星号后，通过查表的方法生成相应卫星号的导航电文，并进行信道编码处理，以进行扩频调制；

（2）根据单片机发来的卫星号，码NCO在码元相位和码频率字的控制下，码移位寄存器产生相应码相位及码速率的扩频码，即生成相应的北斗卫星信号的C/A码，对所产生的导航电文数据码进行直接序列扩频调制；

（3）根据所设置的中频载波，载波NCO在载波相位和载波频率寄存器的控制下，产生出所需频率及相位的数字正弦幅度值，与扩频调制码相乘，完成对载波L1的BPSK调制；

（4）将BPSK调制后的数字北斗中频信号送入到数模转换模块。

数模转换模块采用的是高速14位的AD9857芯片，最大采样率为200MHz，可同时模拟I、Q两路正交信号，两路并行的I/Q信号进行内插和上变频运算，最后通过D/A变换和模拟滤波器输出中频模拟北斗信号。数模转换模块把来自FPGA处理模块的已调制的数字中频北斗卫星信号转换为模拟北斗卫星信号，中频输出为20.098MHz，输出给上变频模块。

上变频模块接收数模转换模块转换后的模拟北斗卫星信号，将低中频的模拟北斗卫星信号经过上变频，变频到和室外北斗卫星一致的标称射频信号，频率为1561.098MHz，并通过北斗卫星信号输出口输出给用户用于北斗卫星接收机的测试。

为了让不同环境信号能正常被接收和方便用户对比测试，上变频模块和北斗卫星信号输出口之间还信号衰减模块。信号衰减模块将上变频模块输出的射频信号的功率大小反馈至单片机，单片机根据设定的信号输出功率大小以及内部控制程序，控制信号衰减模块的衰减幅度，对上变频模块输出的射频信号进行衰减，以调整北斗卫星信号输出口输出的射频信号发射的功率大小。在本实施例中，上变频模块输出的北斗卫星信号初始为-90dBm，通过调节连接在单片机上的衰减调节旋钮即可提供粗衰减（±10dB）和精衰减(±1dB)。

上述模拟器所实现的一种北斗卫星信号模拟实现方法，包括如下步骤：

①单片机首先通过串口与外部PC机相连，接收串口发来的卫星号设置和功率设置命令，进而控制FPGA处理模块产生相应卫星的C/A码和导航电文以及控制信号衰减模块；然后将接收到的卫星号发送到FPGA处理模块，实现单片机对FPGA处理模块的控制；同时控制模拟器的工作参数在液晶显示模块上进行显示；

②FPGA处理模块首先根据单片机发来的卫星号，通过查表的方法生成相应卫星号的导航电文；然后在码元相位和码频率字的控制下，产生相应码相位及码速率的扩频码，即生成相应的北斗卫星信号的C/A码，对所产生的导航电文数据码进行直接序列扩频；最后根据所设置的中频载波，在载波相位和载波频率寄存器的控制下，产生出所需频率及相位的数字正弦幅度值，与扩频调制码相乘，完成对载波的BPSK调制，将调制的数据流信号经过成型滤波器，然后将各通道数字中频北斗信号叠加后输出，送入到数模转换模块；

③数模转换模块把来自FPGA处理模块的已调制的数字中频北斗卫星信号转换为模拟北斗卫星信号，在通过模拟带通滤波器后输出给上变频模块；

④上变频模块接收数模转换模块转换后的模拟北斗卫星信号，将低中频的模拟北斗卫星信号经过上变频，变频到和室外北斗卫星信号一致的标称射频信号，送入信号衰减模块；

⑤信号衰减模块将上变频模块输出的射频信号的功率大小反馈至单片机，单片机根据设定的信号输出功率大小，控制信号衰减模块对上变频模块输出的射频信号进行衰减，以调整北斗卫星信号输出口输出的射频信号发射的功率大小；最后通过北斗卫星信号输出口输出给用户用于北斗卫星接收机的测试。