GPS射頻信號源的設計與實現*

占 光1，徐 飛1，段小輝1，周 瑞

(1.北京大學 信息科學技術學院 電子學系，北京 100871；2.空軍航空大學 航空電子工程系，長春 130022)

1 引 言

GPS(全球定位系統)是美國軍方研制的新一代空間衛星導航定位系統，其主要目的是提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集等,主要由地面控制、空間衛星和用戶裝置3部分組成。在GPS軟件接收機研究測試過程中，需要借助衛星模擬信號源模擬GPS射頻信號，檢測接收機的捕獲和跟蹤性能，正是基于這一點來研究和設計GPS射頻信號源，用來模擬產生GPS衛星信號，為GPS接收機研制、測試提供仿真環境，檢驗接收機的工作狀態。

GPS射頻信號源在GPS領域有著重要的應用，也是未來GPS偽衛星定位系統研究的重要基礎，本文主要基于軟件無線電(Software Defined Radio,SDR)思路，在設計中強調可編程性和通用性，盡量通過軟件實現各種功能，為以后的改進和升級創造條件。

2 GPS衛星信號

2.1 GPS衛星系統

GPS全球定位系統地面控制部分由主控站、監測站和信息注入站組成，主控站計算各個衛星的星歷、衛星時鐘誤差和大氣層的修正參數并傳送到注入站，注入站將各種信息輸入到相應衛星的存儲系統；用戶裝置部分是用戶進行導航定位的終端設備，由接收機硬件、數據處理軟件組成；空間衛星部分由分布在6個軌道上的24顆衛星組成，每個軌道上有4顆衛星，提供星歷和時間信息，向用戶發送信號。GPS是一種雙重用途的系統，提供民用和軍用兩種服務，即標準定位服務(SPS)和精密定位服務(PPS)，SPS是指定為民用的，對全時間所有用戶均可用，PPS指定為美國軍方和政府機構使用的，只能授權使用。

2.2 GPS信號結構

根據文獻[1]和文獻[2]，GPS衛星的信號有L1(1 575.4 MHz)和L2(1 227.6 MHz)兩個頻率，其中L1信號由兩個PRN碼及導航數據調制，這兩種碼分別是粗/截獲碼(C/A碼)和精密碼(P碼)，由于P碼信號保密，非授權用戶不能使用，因此本文設計的GPS信號源只模擬可見的GPS衛星L1頻率C/A碼信號。GPS信號是一種BPSK調制的直接序列擴頻(DSSS)信號，由D碼、C/A碼和L1載波3部分組成，其信號表達式為

Si(t)=ACi(t)Di(t)cos(ω0t+φ0i)

(1)

式中,Si(t)為第i顆衛星的信號,A為信號幅度，Ci(t)為第i顆衛星的PN擴頻碼(C/A碼)，Di(t)為第i顆衛星的導航位數據，ω0為信號頻率,φ0i為第i顆衛星的信號相位。

3 系統設計

3.1 總體設計

(1)主要性能

由于GPS衛星的P碼信號保密, 國外非授權用戶不能使用, 因此本文設計的GPS射頻信號源是L1頻率的C/A碼信號，主要設計性能指標如表1所示。

表1 GPS信號源性能指標

(2)設計方案

按照GPS信號源系統要實現的功能，參考文獻[3]和文獻[4]，設計中考慮到要減少噪聲干擾、提高系統穩定性，以及便于調試等，GPS射頻信號源整個系統設計分為數字和模擬兩部分，基帶/中頻模塊以數字電路設計為主，射頻模塊以模擬電路設計為主，其中基帶/中頻模塊主要采用軟件無線電的思路，利用FPGA芯片產生GPS導航電文(D碼)、擴頻碼(C/A碼)和中頻數字載波，完成BPSK調制、擴頻調制和載波調制，輸出8 bit的數字中頻GPS信號。射頻模塊是整體設計的核心，主要是以頻率綜合器為中心進行射頻電路板的設計與實現，對信號進行混頻、濾波、功率控制等，將GPS中頻信號調制到射頻，最終可由天線發射出去，完成上變頻功能。

3.2 基帶/中頻模塊

基帶/中頻模塊的設計主要利用FPGA芯片EP1C6Q240C8完成，采用硬件編程語言(VHDL)進行GPS信號調制設計。算法原理是對式(1)信號進行時域抽樣t=nTs，式(1)可以表示為

Si(nTs)=ACi(nTs)Di(nTs)cos(ω0nTs+φ0i)

(2)

式中,Ts為抽樣時間，與抽樣頻率ωs的關系滿足Ts=2π/ωs。在數字系統中，我們用n表示nTs，則式(2)轉化為

Si(n)=ACi(n)Di(n)cos(2nπ(ω0/ωs)+φ0i)

(3)

根據文獻[5]，式(3)是數字信號調制的基本原理，也是本文基帶/中頻模塊設計與實現的算法原理，整個基帶/中頻模塊GPS信號調制的設計原理如圖1所示，主要由C/A碼模塊、D碼模塊、DDS模塊和調制模塊組成，其中C/A碼模塊模擬產生速率1.023 MHz的第i顆衛星的C/A碼序列，C/A碼有1 023個碼片，因此C/A碼持續周期是1 ms；D碼模塊模擬產生速率50 Hz的第i顆衛星的導航電文(D碼)；DDS模塊產生速率12.5 MHz的數字載波信號；調制模塊對C/A碼信號、D碼信號和載波信號進行擴頻調制和BPSK調制，輸出12.5 MHz的GPS數字中頻信號。

圖1 GPS信號調制原理圖

在基帶/中頻模塊的設計中，外圍電路設計是以FPGA芯片為核心，及其它器件的數字電路設計。對FPGA芯片的GPS信號調制，我們采用VHDL進行信號設計，仿真測試平臺以QuartusII 8.0和ModelSim為主，其中GPS信號調制設計的電路如圖2所示。

圖2 GPS信號調制電路圖

3.3 射頻模塊

(1)設計原理

射頻模塊設計以頻率綜合器為核心，包括混頻器、濾波器、衰減器等器件，設計原理如圖3所示，晶振經過頻率綜合器(壓控振蕩器、環路濾波器、鎖相環)輸出射頻本振信號，和基帶/中頻模塊輸出的GPS中頻信號在混頻器中進行混頻，將GPS信號由中頻搬移到射頻上，GPS射頻信號經2 MHz的濾波器濾波，在可調衰減器調整功率后，從天線發送出去。

圖3 射頻模塊原理圖

(2)典型電路設計

在射頻模塊設計中，參考文獻[6]的有關資料，頻率綜合器選用ADI公司的ADF4360-4，其典型應用電路如圖4所示。其中ADF4360-4的第17、18、19腳分別為控制數據的CLK腳、DATA腳、LE腳，與測試輸出用的20腳MUXOUT一并接到5針插頭，與FPGA芯片的I/O接口連接，作為其輸入輸出控制接口， 4腳RFoutA和5腳RFoutB是模擬輸出的差分高頻信號，通過匹配網絡和諧振濾波網絡送入混頻器的差分輸入端，作為混頻器的本振信號。

(3)初始化設置

ADF4360-4的內部寄存器用來暫存指令和數據，每次上電時必須給內部寄存器寫入數值進行初始化。ADF4360-4有3個24位寄存器(R寄存器、N寄存器和C寄存器)用來暫存數據，通電時寄存器數據寫入順序是R寄存器、C寄存器和N寄存器，數據輸入是通過FPGA芯片的3個雙向I/O口，分別接ADF4360-4的LE腳、DATA腳、CLK腳來寫入初始化數據的，初始化程序用VHDL語言編寫，其中3個24位寄存器的初始化數據設置如表2所示。

圖4 ADF4360-4的應用電路

表2 寄存器初始化設置

4 實驗結果

4.1 基帶/中頻模塊

基帶/中頻模塊的設計是以FPGA芯片為核心，芯片采用Altera公司的EP1C6Q240C8。在QuartusII 8.0平臺下測試，系統占用邏輯單元337個。采用ModelSim仿真平臺，編寫TestBench測試文件，仿真波形如圖5所示，其中信號sin是DDS模塊產生的數字中頻載波，信號CA是C/A碼模塊產生的C/A碼，信號Navi是D碼模塊產生的導航電文，信號CA-Navi-sin是調制模塊產生的GPS數字中頻信號。將FPGA芯片輸出的GPS數字中頻信號，經D/A轉換后，送到安泰頻譜分析儀AT5011，頻譜波形如圖6所示，信號中心頻率為12.5 MHz。

圖5 ModelSim仿真波形圖

圖6 中頻模塊測試頻譜圖

4.2 射頻模塊

將GPS射頻信號源的基帶/中頻模塊和射頻模塊正確連接好，射頻信號通過射頻模塊SMA接口輸出，經60 dB衰減器衰減后送到頻譜分析儀，頻譜波形是一個單頻信號，信號中心頻率是1 575.4 MHz，測試結果符合設計要求。

5 結論

本文根據GPS衛星信號的結構及射頻電路設計的特點，采用軟件無線電的思路，給出了GPS射頻信號源的設計方案。在方案中硬件設計提供一個標準化平臺，通過軟件實現GPS信號調制等功能，軟件設計強調功能模塊化，通用性強，易于修改和升級。實驗結果表明該設計符合要求。下一步需要提高硬件平臺的穩定性和可靠性，軟件設計需要增加Nios嵌入式處理器軟核，進行性能優化，提高系統性能。

參考文獻：

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LIN Qiao-li.Miniaturization Design of Frequency Synthesizer Based on ADF4360 Series [J].Telecommunication Engineering,2008,48(10):81-83.(in Chinese)