基于PXI架构新型动态导航信号源的实现方法

摘要

本发明公开一种基于PXI架构对新型卫星导航信号仿真的实现方法，属于卫星导航模拟源的研究领域。本方法是通过PXIe-5644R矢量信号收发仪，LabVIEW语言编程，由上位机模块和FPGA模块实现TMBOC、TDDMBOC、AltBOC、TD-AltBOC调制方式的射频信号，并通过将码多普勒信息累积到一个采样点的方法上来实现码多普勒的变化，对于载波多普勒的实现是通过计算频率的最小偏移量的并进行相关的累加改变来实现的。根据设置不同新型体制信号、动态码多普勒、载波多普勒的变化方式，实现了导航动态信号模拟源的研制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于PXI架构新型动态导航信号源的实现方法，属于卫星导航模拟源的 研制技术领域。

背景技术

卫星导航系统是能提供全球覆盖、全天候、高精度、三维导航与定位能力的卫星导航与 定位系统，该系统主要用于深空探测、陆海空导航、地质勘探、车辆定位系统等领域，目前 它的用户正在以每年50%以上的速度增加，并逐渐形成一个继移动通信和互联网之后的又一 个较大的信息行业，尤其是现代战争以海、陆、空一体化战场环境为其主要特征，在空间攻 防对抗中卫星导航系统为各类运载工具和先进武器提供高精度时空基准和精确制导信息。近 十年来，GPS系统在几次局部战争中的成功实践，充分展示了现代卫星导航系统的重大军事 利用价值，目前，已建成和正在规划的卫星导航系统除美国的GPS系统外，还有俄罗斯的 GLONASS系统、欧洲的Galileo系统和中国的北斗卫星导航系统等。

在世界各国对卫星导航系统日益重视的同时，现行的卫星导航系统也逐渐暴露出一些问 题。导航频段越来越拥挤，各通信信号相互干扰日益严重；定位精度要求越来越高，对测距 精度也提出了更高的要求；通信环境中除背景噪声外，通常还存在不容忽视的人为干扰，抗 干扰能力较差；地面导航接收机电磁环境差，多径问题严重等。由此一些新的调制技术也被 提出并被应用于正在建设的导航系统当中，并已经逐步应用于现代化GPS和欧洲的Galileo 系统中。如BOC（Binary Offset Carrier）调制、MBOC（Multiplexed BOC）调制以及 AltBOC(Alternate BOC)调制技术，它们不同于传统的BPSK和QPSK调制，是一种通过 分裂频谱信号将能量偏移远离载波频带中心的有效信号的调制方式。目前中国正在实施北斗 二代一期卫星导航系统建设，已成功发射十三颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，2012 年，系统已经具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左 右，将建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。而在北斗二代二期导航信号的设计中就采用新的 调制技术。

模拟信号源具有利用真星信号测试所无法比拟的优点，它提供一种可再现和可控的测试 环境，为地面系统的研制建设和测试提供一个可靠稳定准确灵活和易用的仿真及测试环境， 全面地检测地面系统的功能和性能指标是否满足研制要求。在任何接收机的研制过程中，接 收技术的突破也都离不开信号模拟源的建设。在此平台上可以方便完成对接收机的结构、功 能和性能的测试和优化，信号处理方法的论证，新算法、新设计的研究和集成等工作。尤其 是我国北斗二代系统正在加紧建设中，卫星星座的建立正在按部就班地进行，北斗二代终端 在国内乃至全球的广泛应用将成为必然。北斗二代导航信号和多模导航信号仿真必须走在前 面，这对于我国单模、多模接收机研制是强有力的支持。这就要求导航信号源必须具有足够 的灵活性，对各种仿真任务具有充分的可扩充性，需要完成对干扰环境的仿真，具有一定的 扩展能力。基于上述背景，对新型信号的仿真，具有较强的实现意义。

PXI（PCI eXtensions for instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展）是一种由美 国国家仪器公司（National Instruments）发布的坚固基于PC的测量和自动化平台。它结 合了PCI总线的高吞吐量低延时与Compact PCI的模块化坚固封装形式，同时针对测控应 用添加了高性能同步与定时总线以及相应的软件规范，便于测控系统开发与集成。PXI的模 块化架构与“合成仪器”的概念相符合，可根据系统具体指标要求选择不同的模块化仪器， 同时可以与基于GPIB，LAN，VXI等总线或平台的其他仪器组成混合总线系统。由于系统 采用模块化的架构，便于在系统生命周期中的维护和升级，也便于利用统一系统满足不同型 号待测对象的测试要求。从而在PXI平台上的开发具有很好的系统扩展性和系统维护性。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于PXI架构新型动态导航信号源的实现 方法。本发明中，首先生成基带信号，将各种新调制方式导航信号（AltBOC、TD-AltBOC、 TDDM-BOC(14,2)、TMBOC）生成基带信号，其中每种调制方式的信号都有各自的生成方 法。然后通过将码多普勒的信息累积到一个采样点上，而不是传统的逐渐加到各个采样点上 的方式来产生需要的码多普勒，最后通过对建立一个频率偏移量的控制方法来控制载波多普 勒的产生方式。

一种基于PXI架构新型动态导航信号源的实现方法，包括以下几个步骤：

第一步：开始及初始化

初始化PXI架构的硬件系统平台；

第二步：进入PXI架构的硬件系统平台的模拟源信号生成模块，根据所需要产生的信号 类型，选用一种调制方法，生成基带数字信号

第三步：码多普勒的实现方法

具体包括：

步骤一：假设多普勒影响经过x个采样点时刻，有1个采样点变化，获取x：

x＝f_carrier/f_d

上式中：f_carrier为载波信号的频率，f_d为载波信号的多普勒频率；

步骤二：计算第二步中调制方法下的x值

步骤三：对第二步中得到的基带数字信号进行处理，以第一个数据点为开始计数，当计 数到第x点时，将第x+1个采样点舍去，然后从第x+2个采样点重新开始计数，重复舍弃的 运算，得到处理后的基带数字信号；

第四步：生成相应信号

将经过第三步生成的经过处理的数字基带信号进行数模变换和上变频操作，生成相应体 制导航射频信号。

本发明的优点在于：

（1）本发明方法在处理基带信号时只需要对不同的基带信号进行相应的频率设置和采样 率设置，整体的基带产生框架不需要做额外的改动；

（2）本发明方法在多普勒的生成上提出一种更加易于实现的方式，这种方法在保证信号 性能的要求之下具有实现简便，操作容易的优点；

（3）本发明方法具有良好的扩展性，可以用于解决建立其他的体制信号的模拟源问题。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的恒包络AltBOC（15,10）基带信号的实现；

图3是本发明的TD-AltBOC信号生成框图；

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于PXI架构的新型动态导航信号源的实现方法，流程如图1所示，包括 以下几个步骤：

第一步：开始及初始化

初始化PXI架构的硬件系统平台。

第二步：进入PXI架构的硬件系统平台的模拟源信号生成模块，选用不同调制方法，生 成基带数字信号

根据所需要产生的信号类型，通过控制界面的选择来选择四种不同调制方式中某一种， 生成基带数字信号。

调制方法具体是：

（1）采用AltBOC调制方法，生成基带数字信号

恒包络AltBOC（15,10）信号的生成过程中，一个伪码片对应1.5周期的副载 波，这样就要求奇数码片对应初始相位为0度的1.5个周期的副载波，偶数码片对应初 始相位为180度的1.5个周期的副载波，即每次偶数码片查表时，需要将查找表进行 180度翻转，其他过程与及奇数码片查表时一样。

生成Alt BOC基带数字信号流程图如图2所示，具体步骤如下：

1.初始的伪随机序列以码表形式存放。

2.用四列伪随机序（PRN_Ca_I、PRN_Ca_Q、PRN_Cb_I、PRN_Cb_Q） 去对码表进行查表。

3.通过伪随机序找出的结果在IQ幅值扩展查找表中查找出相应的幅度值，并 输出I分量和Q分量扩展到两个副载波周期的幅度值（I分量是Se_I[16]， Q分量为Se_Q[16]，分别有16个值，且前8个值与后8个值一样）。

4.判断伪随机码的码片计数（PRN_code_counter）的奇偶性，在奇数码片 时间点，将前12个值以122.76MHz的速率顺序发出；在偶数码片时间 点将后12个值以122.76MHz的速率顺序发出。这样就可以实现相位180 度翻转。得到I和Q两个支路的数字基带信号。

5.信号发送速率的选择：AltBOC（15,10）体制的一个码周期是1ms，其 速率是10.23MHz，通过查找表扩展1个码片为对应12个值，则1ms 为122760个值，其速率为10.23*12=122.76MHz，对于此IQ速率最 大为120MHz，则将其进行采样，将1ms为122760个值采样成120000 个值，以120MHz速率发出。

（2）采用TD-AltBOC调制方法，信号流程图如图3所示，生成基带数字信号步骤如 下：

1.初始的伪随机序列以码表形式存放。

2.用四列伪随机序（Ca_D、Ca_P、Cb_D、Cb_P）去对码表进行查表。然 后通过时分选择模块是对数据通道与导频通道进行时分复用，然后通过数 组插入形成新的数组，得到IQ幅值扩展查询表。

3.通过PRN码计数判断是否为奇数，如果是奇数则取前6个顺序值发送， 如果是偶数就取后6个顺序值发送。得到I和Q两个支路的数字基带信号。

4.信号发送速率的选择：TD-AltBOC一周期扩频码是5115个码片构成， 通过时分复用，生成10230个码片，其码速率是10.23MHz，通过查找 表扩展1个码片对应6个值，则1ms为61380个值，其速率为 10.23*6=61.38MHz，对于此IQ速率最大为120MHz，则将其进行采样， 将1ms为61380个值采样成120000个值，以120MHz速率发出。最 终AltBOC和TD-AltBOC调制方式IQ速率都将设置为120MHz。

（3）采用TDDM-BOC(14,2)调制方法，生成基带数字信号步骤如下：

1.设有导频分量和数据分量两个数据序列。

2.对导频序列和数据序列进行时分复用，得到一路序列。

3.将新的序列的每个码片分别与[1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1]序列 相乘，得到一个新的序列。

4.将新序列每个点复制成两个，将产生序列以57.288MHz的速率发送出去。

5.信号发送速率的选择：TDDM-BOC(14,2)的码片速率为2.046MHz，通 过步骤2和3，相当于提高了14倍，变为28.644MHz，通过步骤4的 采样工作，则最终频率为57.288MHz。

（4）采用TMBOC调制方法，生成基带数字信号： TMBOC调制是数据通道分量采用BOC(1,1)的调制，导频通道为BOC(1,1)

与BOC(6,1)组合而成，步骤如下：

1.数据序列的每个码片分别与序列{1,-1}相乘。以2.046MHz速率发送。

2.导频序列中，码片地址是1,5,7,30倍数的码片与序列 {1,-1,1-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1}相乘，其他码片与序列 {1,1,1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1}相乘，得到新的序列。

3.将步骤2得到的新序列以12.276MHz的速率发送。

由于是数字信号的发生，以上四种调制方式最终所产生的基带信号是一系列的0和1信 号的组成，代表着数字信号中的低电平和高电平，这样在后续步骤中，硬件仪器将这些数字 信号进行数模转换，变换成模拟信号发射出去。

第三步：码多普勒的实现方法

1.多普勒的实现是把伪码多普勒信息累积到一个采样点上，而不是逐渐加到各个采 样点上。假设多普勒影响要经过x个采样点时刻，才有1个采样点的变化，获取 x的方法：

x＝T_s/ζT_s＝1/ζ＝M*f_code/f_d＝f_carrier/f_d

上式中Ts表示采样时刻，ζ＝f_d/(M*f_code)＝f_d/f_carrier是伪码延时偏移率，M为 载波频率f_carrier与伪码频率f_code之间的比值，f_d代表载波信号的多普勒频率。

2.计算每种调制下的具体x值，以TMBOC调制方式为例：

TMBOC的M＝1540，f_code＝1.023MHz，f_carrier＝1575.42MHz，假设载波多普勒 f_d＝1000Hz，将这些数值代入上式得x＝1575420。载波多普勒设置完后，根据 载波多普勒计算出需要经过1575420采样点，才有1个采样点的变化。

3.上一步得到x为1575420，所以将第二步中的TMBOC调制得到的基带数字信 号的进行处理，处理方法为，以第一个数据点为开始，开始计数，当计数到 1575420个点时，将第1575421采样点舍去，然后从1575422点重新开始计 数，重复舍弃的运算，这样得到处理后的基带数字信号。

4.另外三种调制方式的处理方式同TMBOC处理方法。

第四步：生成相应信号

将经过三生成的经过处理的数字基带信号进行数模变换和上变频操作，生成相应体制导 航射频信号。