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基于PXI架構新型動態導航信號源的實現方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410150650.4

申請日:

2014.04.15

公開號:

CN103954978A

公開日:

2014.07.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01S 19/23申請日:20140415|||公開
IPC分類號: G01S19/23(2010.01)I; H04L27/00 主分類號: G01S19/23
申請人: 北京航空航天大學
發明人: 秦紅磊; 舒展; 路輝; 張楊
地址: 100191 北京市海淀區學院路37號
優先權:
專利代理機構: 北京永創新實專利事務所 11121 代理人: 趙文穎
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410150650.4

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.05.11|||2014.08.27|||2014.07.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開一種基于PXI架構對新型衛星導航信號仿真的實現方法,屬于衛星導航模擬源的研究領域。本方法是通過PXIe-5644R矢量信號收發儀,LabVIEW語言編程,由上位機模塊和FPGA模塊實現TMBOC、TDDMBOC、AltBOC、TD-AltBOC調制方式的射頻信號,并通過將碼多普勒信息累積到一個采樣點的方法上來實現碼多普勒的變化,對于載波多普勒的實現是通過計算頻率的最小偏移量的并進行相關的累加改變來實現的。根據設置不同新型體制信號、動態碼多普勒、載波多普勒的變化方式,實現了導航動態信號模擬源的研制。

權利要求書

權利要求書
1.  一種基于PXI架構新型動態導航信號源的實現方法,包括以下幾個步驟:
第一步:開始及初始化
初始化PXI架構的硬件系統平臺;
第二步:進入PXI架構的硬件系統平臺的模擬源信號生成模塊,根據所需要產生的信號類型,選用一種調制方法,生成基帶數字信號
第三步:碼多普勒的實現方法
具體包括:
步驟一:假設多普勒影響經過x個采樣點時刻,有1個采樣點變化,獲取x:
x=fcarrier/fd
上式中:fcarrier為載波信號的頻率,fd為載波信號的多普勒頻率;
步驟二:計算第二步中調制方法下的x值
步驟三:對第二步中得到的基帶數字信號進行處理,以第一個數據點為開始計數,當計數到第x點時,將第x+1個采樣點舍去,然后從第x+2個采樣點重新開始計數,重復舍棄的運算,得到處理后的基帶數字信號;
第四步:生成相應信號
將經過第三步生成的經過處理的數字基帶信號進行數模變換和上變頻操作,生成相應體制導航射頻信號。

2.  根據權利要求1所述的一種基于PXI架構新型動態導航信號源的實現方法,所述的第二步中,采用下述四種調制方法中的一種,生成基帶數字信號,具體為:
(1)采用AltBOC調制方法,生成基帶數字信號
1)初始的偽隨機序列以碼表形式存放;
2)用四列偽隨機序對碼表進行查表;
3)通過偽隨機序找出的結果在IQ幅值擴展查找表中查找出相應的幅度值,并輸出I分量和Q分量擴展到兩個副載波周期的幅度值,I分量、Q分量分別有16個值,且前8個值與后8個值一樣;
4)判斷偽隨機碼的碼片計數的奇偶性,在奇數碼片時間點,將前12個值以122.76MHz 的速率順序發出;在偶數碼片時間點將后12個值以122.76MHz的速率順序發出,得到I和Q兩個支路的基帶數字信號;
5)將信號以120MHz速率發送;
(2)采用TD-AltBOC調制方法,生成基帶數字信號步驟如下:
1)初始的偽隨機序列以碼表形式存放;
2)用四列偽隨機序去對碼表進行查表,然后通過時分選擇模塊是對數據通道與導頻通道進行時分復用,然后通過數組插入形成新的數組,得到IQ幅值擴展查詢表;
3)通過PRN碼計數判斷是否為奇數,如果是奇數則取前6個順序值發送,如果是偶數就取后6個順序值發送,得到I和Q兩個支路的數字基帶信號;
4)將信號以120MHz速率發送;
(3)采用TDDM-BOC(14,2)調制方法,生成基帶數字信號步驟如下:
1)設有導頻分量和數據分量兩個數據序列;
2)對導頻序列和數據序列進行時分復用,得到一路序列;
3)將新的序列的每個碼片分別與[1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1]序列相乘,得到一個新的序列;
4)將新序列每個點復制成兩個,將產生序列以57.288MHz的速率發送出去;
(4)采用TMBOC調制方法,生成基帶數字信號:
1)數據序列的每個碼片分別與序列{1,-1}相乘,以2.046MHz速率發送;
2)導頻序列中,碼片地址是1,5,7,30倍數的碼片與序列{1,-1,1-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1}相乘,其他碼片與序列{1,1,1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1}相乘,得到新的序列;
3)將步驟2得到的新序列以12.276MHz的速率發送。

說明書

說明書基于PXI架構新型動態導航信號源的實現方法
技術領域
本發明涉及一種基于PXI架構新型動態導航信號源的實現方法,屬于衛星導航模擬源的研制技術領域。
背景技術
衛星導航系統是能提供全球覆蓋、全天候、高精度、三維導航與定位能力的衛星導航與定位系統,該系統主要用于深空探測、陸海空導航、地質勘探、車輛定位系統等領域,目前它的用戶正在以每年50%以上的速度增加,并逐漸形成一個繼移動通信和互聯網之后的又一個較大的信息行業,尤其是現代戰爭以海、陸、空一體化戰場環境為其主要特征,在空間攻防對抗中衛星導航系統為各類運載工具和先進武器提供高精度時空基準和精確制導信息。近十年來,GPS系統在幾次局部戰爭中的成功實踐,充分展示了現代衛星導航系統的重大軍事利用價值,目前,已建成和正在規劃的衛星導航系統除美國的GPS系統外,還有俄羅斯的GLONASS系統、歐洲的Galileo系統和中國的北斗衛星導航系統等。
在世界各國對衛星導航系統日益重視的同時,現行的衛星導航系統也逐漸暴露出一些問題。導航頻段越來越擁擠,各通信信號相互干擾日益嚴重;定位精度要求越來越高,對測距精度也提出了更高的要求;通信環境中除背景噪聲外,通常還存在不容忽視的人為干擾,抗干擾能力較差;地面導航接收機電磁環境差,多徑問題嚴重等。由此一些新的調制技術也被提出并被應用于正在建設的導航系統當中,并已經逐步應用于現代化GPS和歐洲的Galileo系統中。如BOC(Binary Offset Carrier)調制、MBOC(Multiplexed BOC)調制以及AltBOC(Alternate BOC)調制技術,它們不同于傳統的BPSK和QPSK調制,是一種通過分裂頻譜信號將能量偏移遠離載波頻帶中心的有效信號的調制方式。目前中國正在實施北斗二代一期衛星導航系統建設,已成功發射十三顆北斗導航衛星。根據系統建設總體規劃,2012年,系統已經具備覆蓋亞太地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力;2020年左右,將建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統。而在北斗二代二期導航信號的設計中就采用新的調制技術。
模擬信號源具有利用真星信號測試所無法比擬的優點,它提供一種可再現和可控的測試環境,為地面系統的研制建設和測試提供一個可靠穩定準確靈活和易用的仿真及測試環境,全面地檢測地面系統的功能和性能指標是否滿足研制要求。在任何接收機的研制過程中,接收技術的突破也都離不開信號模擬源的建設。在此平臺上可以方便完成對接收機的結構、功能和性能的測試和優化,信號處理方法的論證,新算法、新設計的研究和集成等工作。尤其是我國北斗二代系統正在加緊建設中,衛星星座的建立正在按部就班地進行,北斗二代終端在國內乃至全球的廣泛應用將成為必然。北斗二代導航信號和多模導航信號仿真必須走在前面,這對于我國單模、多模接收機研制是強有力的支持。這就要求導航信號源必須具有足夠的靈活性,對各種仿真任務具有充分的可擴充性,需要完成對干擾環境的仿真,具有一定的擴展能力。基于上述背景,對新型信號的仿真,具有較強的實現意義。
PXI(PCI eXtensions for instrumentation,面向儀器系統的PCI擴展)是一種由美國國家儀器公司(National Instruments)發布的堅固基于PC的測量和自動化平臺。它結合了PCI總線的高吞吐量低延時與Compact PCI的模塊化堅固封裝形式,同時針對測控應用添加了高性能同步與定時總線以及相應的軟件規范,便于測控系統開發與集成。PXI的模塊化架構與“合成儀器”的概念相符合,可根據系統具體指標要求選擇不同的模塊化儀器,同時可以與基于GPIB,LAN,VXI等總線或平臺的其他儀器組成混合總線系統。由于系統采用模塊化的架構,便于在系統生命周期中的維護和升級,也便于利用統一系統滿足不同型號待測對象的測試要求。從而在PXI平臺上的開發具有很好的系統擴展性和系統維護性。
發明內容
本發明的目的是為了解決上述問題,提出一種基于PXI架構新型動態導航信號源的實現方法。本發明中,首先生成基帶信號,將各種新調制方式導航信號(AltBOC、TD-AltBOC、TDDM-BOC(14,2)、TMBOC)生成基帶信號,其中每種調制方式的信號都有各自的生成方法。然后通過將碼多普勒的信息累積到一個采樣點上,而不是傳統的逐漸加到各個采樣點上的方式來產生需要的碼多普勒,最后通過對建立一個頻率偏移量的控制方法來控制載波多普勒的產生方式。
一種基于PXI架構新型動態導航信號源的實現方法,包括以下幾個步驟:
第一步:開始及初始化
初始化PXI架構的硬件系統平臺;
第二步:進入PXI架構的硬件系統平臺的模擬源信號生成模塊,根據所需要產生的信號類型,選用一種調制方法,生成基帶數字信號
第三步:碼多普勒的實現方法
具體包括:
步驟一:假設多普勒影響經過x個采樣點時刻,有1個采樣點變化,獲取x:
x=fcarrier/fd
上式中:fcarrier為載波信號的頻率,fd為載波信號的多普勒頻率;
步驟二:計算第二步中調制方法下的x值
步驟三:對第二步中得到的基帶數字信號進行處理,以第一個數據點為開始計數,當計數到第x點時,將第x+1個采樣點舍去,然后從第x+2個采樣點重新開始計數,重復舍棄的運算,得到處理后的基帶數字信號;
第四步:生成相應信號
將經過第三步生成的經過處理的數字基帶信號進行數模變換和上變頻操作,生成相應體制導航射頻信號。
本發明的優點在于:
(1)本發明方法在處理基帶信號時只需要對不同的基帶信號進行相應的頻率設置和采樣率設置,整體的基帶產生框架不需要做額外的改動;
(2)本發明方法在多普勒的生成上提出一種更加易于實現的方式,這種方法在保證信號性能的要求之下具有實現簡便,操作容易的優點;
(3)本發明方法具有良好的擴展性,可以用于解決建立其他的體制信號的模擬源問題。
附圖說明
圖1是本發明的方法流程圖;
圖2是本發明的恒包絡AltBOC(15,10)基帶信號的實現;
圖3是本發明的TD-AltBOC信號生成框圖;
具體實施方式
下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種基于PXI架構的新型動態導航信號源的實現方法,流程如圖1所示,包括以下幾個步驟:
第一步:開始及初始化
初始化PXI架構的硬件系統平臺。
第二步:進入PXI架構的硬件系統平臺的模擬源信號生成模塊,選用不同調制方法,生成基帶數字信號
根據所需要產生的信號類型,通過控制界面的選擇來選擇四種不同調制方式中某一種,生成基帶數字信號。
調制方法具體是:
(1)采用AltBOC調制方法,生成基帶數字信號
恒包絡AltBOC(15,10)信號的生成過程中,一個偽碼片對應1.5周期的副載波,這樣就要求奇數碼片對應初始相位為0度的1.5個周期的副載波,偶數碼片對應初始相位為180度的1.5個周期的副載波,即每次偶數碼片查表時,需要將查找表進行180度翻轉,其他過程與及奇數碼片查表時一樣。
生成Alt BOC基帶數字信號流程圖如圖2所示,具體步驟如下:
1.初始的偽隨機序列以碼表形式存放。
2.用四列偽隨機序(PRN_Ca_I、PRN_Ca_Q、PRN_Cb_I、PRN_Cb_Q)去對碼表進行查表。
3.通過偽隨機序找出的結果在IQ幅值擴展查找表中查找出相應的幅度值,并輸出I分量和Q分量擴展到兩個副載波周期的幅度值(I分量是Se_I[16],Q分量為Se_Q[16],分別有16個值,且前8個值與后8個值一樣)。
4.判斷偽隨機碼的碼片計數(PRN_code_counter)的奇偶性,在奇數碼片時間點,將前12個值以122.76MHz的速率順序發出;在偶數碼片時間點將后12個值以122.76MHz的速率順序發出。這樣就可以實現相位180度翻轉。得到I和Q兩個支路的數字基帶信號。
5.信號發送速率的選擇:AltBOC(15,10)體制的一個碼周期是1ms,其速率是10.23MHz,通過查找表擴展1個碼片為對應12個值,則1ms 為122760個值,其速率為10.23*12=122.76MHz,對于此IQ速率最大為120MHz,則將其進行采樣,將1ms為122760個值采樣成120000個值,以120MHz速率發出。
(2)采用TD-AltBOC調制方法,信號流程圖如圖3所示,生成基帶數字信號步驟如下:
1.初始的偽隨機序列以碼表形式存放。
2.用四列偽隨機序(Ca_D、Ca_P、Cb_D、Cb_P)去對碼表進行查表。然后通過時分選擇模塊是對數據通道與導頻通道進行時分復用,然后通過數組插入形成新的數組,得到IQ幅值擴展查詢表。
3.通過PRN碼計數判斷是否為奇數,如果是奇數則取前6個順序值發送,如果是偶數就取后6個順序值發送。得到I和Q兩個支路的數字基帶信號。
4.信號發送速率的選擇:TD-AltBOC一周期擴頻碼是5115個碼片構成,通過時分復用,生成10230個碼片,其碼速率是10.23MHz,通過查找表擴展1個碼片對應6個值,則1ms為61380個值,其速率為10.23*6=61.38MHz,對于此IQ速率最大為120MHz,則將其進行采樣,將1ms為61380個值采樣成120000個值,以120MHz速率發出。最終AltBOC和TD-AltBOC調制方式IQ速率都將設置為120MHz。
(3)采用TDDM-BOC(14,2)調制方法,生成基帶數字信號步驟如下:
1.設有導頻分量和數據分量兩個數據序列。
2.對導頻序列和數據序列進行時分復用,得到一路序列。
3.將新的序列的每個碼片分別與[1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1]序列相乘,得到一個新的序列。
4.將新序列每個點復制成兩個,將產生序列以57.288MHz的速率發送出去。
5.信號發送速率的選擇:TDDM-BOC(14,2)的碼片速率為2.046MHz,通過步驟2和3,相當于提高了14倍,變為28.644MHz,通過步驟4的采樣工作,則最終頻率為57.288MHz。
(4)采用TMBOC調制方法,生成基帶數字信號: TMBOC調制是數據通道分量采用BOC(1,1)的調制,導頻通道為BOC(1,1)
與BOC(6,1)組合而成,步驟如下:
1.數據序列的每個碼片分別與序列{1,-1}相乘。以2.046MHz速率發送。
2.導頻序列中,碼片地址是1,5,7,30倍數的碼片與序列{1,-1,1-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,-1}相乘,其他碼片與序列{1,1,1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1}相乘,得到新的序列。
3.將步驟2得到的新序列以12.276MHz的速率發送。
由于是數字信號的發生,以上四種調制方式最終所產生的基帶信號是一系列的0和1信號的組成,代表著數字信號中的低電平和高電平,這樣在后續步驟中,硬件儀器將這些數字信號進行數模轉換,變換成模擬信號發射出去。
第三步:碼多普勒的實現方法
1.多普勒的實現是把偽碼多普勒信息累積到一個采樣點上,而不是逐漸加到各個采樣點上。假設多普勒影響要經過x個采樣點時刻,才有1個采樣點的變化,獲取x的方法:
x=Ts/ζTs=1/ζ=M*fcode/fd=fcarrier/fd
上式中Ts表示采樣時刻,ζ=fd/(M*fcode)=fd/fcarrier是偽碼延時偏移率,M為載波頻率fcarrier與偽碼頻率fcode之間的比值,fd代表載波信號的多普勒頻率。
2.計算每種調制下的具體x值,以TMBOC調制方式為例:
TMBOC的M=1540,fcode=1.023MHz,fcarrier=1575.42MHz,假設載波多普勒fd=1000Hz,將這些數值代入上式得x=1575420。載波多普勒設置完后,根據載波多普勒計算出需要經過1575420采樣點,才有1個采樣點的變化。
3.上一步得到x為1575420,所以將第二步中的TMBOC調制得到的基帶數字信號的進行處理,處理方法為,以第一個數據點為開始,開始計數,當計數到1575420個點時,將第1575421采樣點舍去,然后從1575422點重新開始計數,重復舍棄的運算,這樣得到處理后的基帶數字信號。
4.另外三種調制方式的處理方式同TMBOC處理方法。
第四步:生成相應信號
將經過三生成的經過處理的數字基帶信號進行數模變換和上變頻操作,生成相應體制導航射頻信號。

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基于 PXI 架構 新型 動態 導航 信號源 實現 方法
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