GNSS信號錄制與回放設備的研制及應用

張濤

(武漢大學 測繪學院,湖北 武漢 430079)

0 引 言

在GNSS接收機的生產研發以及衛星定位與導航相關專業的教學實驗過程中,GNSS信號錄制與回放設備是一種非常重要的儀器,它可以采集射頻信號并存儲為數據文件,反復重現實際射頻信號環境,以對GNSS接收機進行測試,還可以對接收機算法進行比較、驗證。隨著我國北斗系統的發展,教學科研機構和生產廠商對多頻多模GNSS接收機的研究力度越來越大,多頻多模GNSS射頻信號錄放裝置的需求很強。而目前的GNSS射頻信號錄制與重放裝置一般分為兩類,一類是單頻單模,其價格較低,但是已經無法滿足目前GPS/北斗等多星座多頻點的接收機測試需要。另一類是多頻多模GNSS信號錄制與播放裝置,其主要結構采用的是多個ADC同步采集錄制方式或者高速、高帶寬ADC采集方式,前者需要解決同步問題,同步不良會造成多個信號之間時間錯位,信號無法完整回放;而后者的成本高,結構復雜。本文中提出的多頻多模GNSS射頻信號錄放裝置具有成本低,結構簡單等優點,適合一般的科學研究、生產測試、教學實驗等應用。

1 原理與設計

目前的GNSS主要包括北斗(BDS)、GPS、GLONASS、伽利略(Galileo)、QZSS和IRNSS。GPS系統的應用較廣,而BDS系統的前景更加引人關注。因此本裝置主要針對GPS和BDS系統設計。

而民用GPS信號又包含L1,L2,L5三個頻點,BDS的被動定位系統也包含B1,B2,B3三個頻點。在這幾個頻點中,目前應用較廣的主要是GPS的L1和L2與BDS的B1。因此本文的設計目的也就是對GPS L1/L2和BDS B1進行錄制與回放。表1示出了這三個信號的中心頻率、信號帶寬、民用接收機通常的帶寬。

表1 常用GNSS信號特征表

可見,三個頻段覆蓋的帶寬已經超過350 MHz,如果采用一般的直接采樣的形式,則對器件的要求是相當高的,相應的成本也很高。

在研究三個頻段的關系后,可以知道這三個頻段并非是連續的,其有效總帶寬只有26 MHz,中間的300多MHz實際上并不需要,另外一個事實是,由于GPS和北斗系統均使用了CDMA編碼系統,即使在頻譜邊緣部分有少部分重疊,對信號接收的影響也有限。因此提出了如下變頻法壓縮帶寬的方法。

通過混頻器將信號進行變頻處理是無線電技術中的一種常用手段,通常變頻的目的是將頻譜變換到一個中頻(一次變頻)或幾個中頻上(多次變頻),以避免放大器引起自激同時方便設計放大器和濾波器,而此處利用變頻時會產生和頻和差頻兩個混頻結果(即鏡像)的現象,在信號錄制與回放的時候使用了不同的和頻信號與差頻信號,對于不同頻點的信號,分別采用和頻與差頻信號,從而充分利用鏡像信號,在信號錄制過程中,通過變頻壓縮帶寬,在信號回放的時候,通過變頻擴展帶寬,降低了器件要求和系統復雜程度,同時降低了成本。

設本振頻率為flo,L1,L2,B1的中心頻率分別為fL1,fL2,fB1,且flo

和頻:

f1=fL1+flo=1575.42+flo;

f2=fL2+flo=1227.6+flo;

f3=fB1+flo=1561.098+flo；

差頻:

f4=fL1-flo=1575.42-flo;

f5=fL2-flo=1227.6-flo;

f6=fB1-flo=1561.098-flo.

只要選擇合適的flo,就可以在以上產生的6個混頻信號中,得到3個頻率間距足夠小的信號。為了縮短三個頻點的間距,應選擇一個和頻f2即1 227.6+flo和兩個差頻f4即1 575.42-flo、f6即1 561.098-flo.而此時的總帶寬縮至:

f4-f2+1+10=358.82-2flo

上式中1和10分別為L1和L2的有效帶寬的一半。

在回放的時候,再次將這三個頻點(f2、f4、f6)的信號與flo混頻,從而將信號還原。此時混頻得到的信號也有6個:

和頻:

f7=f2+flo=1227.6+flo+flo

=1227.6+2flo;

f8=f4+flo=1575.42-flo+flo

=1575.42MHz;

f9=f6+flo=1561.098-flo+flo

=1561.098MHz

差頻:

f10=f2-flo=1227.6+flo-flo=1227.6;

f11=f4-flo=1575.42-flo-flo

=1575.42 MHz-2flo；

f12=f6-flo=1561.098-flo-flo

=1561.098 MHz-2flo.

可見,和頻f8、f9與差頻f10正是需要的fL1,fL2,fB1,此外還有三個多余的鏡像信號。為了降低帶寬要求的同時保證信號錄制和回放質量,需要選擇flo,使得滿足以下三個條件:

1)f1、f2、f3、f4、f5、f6之間的間距減小,使得帶寬減小;

2)f1、f2、f3、f4、f5、f6之間盡量避免頻譜重疊;

3)f7、f8、f9、f10、f11、f12之間盡量避免頻譜重疊。

由于(L1+L2)/2約為174 MHz,因此可以選擇flo在174 MHz附近。flo越接近174 MHz,則第一個條件越容易滿足,而第二和第三個條件越不容易滿足。flo離174 MHz越遠,則第二和第三個條件越容易滿足,但第一個條件越不容易滿足。因此在錄制和回放器件和設備帶寬允許的情況下,flo應盡量離174 MHz遠一些。例如當選用的錄制和回放設備帶寬為40 MHz的時候,可以選擇flo=160 MHz,此時的頻譜示意圖如圖1,圖1上圖是本來的信號,中間的虛線部分代表的帶寬約為350 MHz;圖1中間圖是經過混頻后的信號,f2=1 387.6 MHz,f4=1 415.42 MHz,f6=1 401.098 MHz,總帶寬縮至38.82 MHz,中間的虛線部分被擠掉,只保留有效頻譜,可以看到此時滿足f1、f2、f3、f4、f5、f6之間無頻譜重疊(f1、f3、f5已經在帶外);圖1下圖是回放的信號,其中點劃線是無用的鏡像信號,f7、f8、f9、f10、f11、f12之間也無頻譜重疊,滿足三個條件的要求。再例如,當所選用的錄制和回放設備帶寬為20 MHz的時候,可以選擇flo=170 MHz,此時,f2=1 397.6 MHz,f4=1 405.42 MHz,f6=1 391.098 MHz,總帶寬縮至18.82 MHz,此時的頻譜示意圖如圖2所示,由于帶寬已經壓縮至小于26 MHz的有效帶寬,因此在圖2中間圖中可以看到,f2、f6之間略有頻譜重疊;在圖2下圖中可以看到f7與f9,f10與f11之間也略有頻譜重疊,此時對信號會有損失,而且信號之間也有干擾。

通過變頻,選擇合適的和頻域差頻將有效帶寬縮窄后,即可進行數據錄制。這里采取了一種簡便的方案進行采樣錄制,即使用現有的低成本SDR平臺來完成。表2是目前市面上流行的幾種SDR平臺的主要特征:

表2 常見SDR主要特性表

可見,當采用 174 MHz的本振的時候,用Ettus的B200/B210或者BladeRFX40以及LimeSDR均可以完成采樣錄制的工作。而當采用170 MHz的本振的時候,即使用最廉價的HackRF ONE平臺即可完成采樣錄制工作。從成本來說,Hackrf ONE與BladeRF x40更有優勢。

本振頻率選定后,即可選定相關器件搭建信號錄制與回放設備。

2 具體實現

圖3是根據以上原理搭建的L1/L2/B1三頻GNSS信號錄制與回放設備示意圖,其中圖3(a)中SDR KIT 使用Hackrf ONE,圖3(b)中SDR KIT使用的是BladeRF x40.

設備由接收天線ANT RX,低噪聲放大器LNA,射頻開關RF SWITCH,混頻器MIXER,本振Local OSC,濾波器FILTER,外部參考時鐘EXT REF CLOCK,SDR平臺 SDR KIT,控制和存儲電腦COMPUTER,I/O擴展器I/O EXT BOX,程控可調衰減器ATT,以及發射天線ANT TX構成。

接收天線選用至少能夠接收GPS L1/L2以及北斗B1的有源天線,增益30 dB左右,用于接收這三個頻點的信號。

低噪聲放大器選用通用的微波低噪聲放大器,有效頻段在1 200 MHz到1 600 MHz,增益25 dB左右。可以使用多級微波三極管自行設計搭建或者選用現成的放大器模塊,此處使用ZX60-P162LN+.

射頻開關采用單刀雙擲射頻開關ZX80-DR230+,用以進行錄制和回放的功能切換。

混頻器采用寬頻高性能混頻器ADE-35 MH.

本振采用溫補晶體振蕩器,振蕩頻率170 MHz.

濾波器FILTER 1采用VBFZ-1400+,濾波器FILTER2采用三個不同頻段的濾波器CBP-1228C+,BFCN-1575+,BFCN-1560+組合完成。嚴格來說,FILTER2的參數并不完美,但是仍能對信號質量有一定的提高。

在研制過程中,SDR平臺分別選用了Blade RF x40和Hackrf ONE進行了對比,Hackrf ONE成本低,完全開源,便于開發。但其選用的時鐘性能較差,頻率不穩定而且相位噪聲偏大,無法保證整體性能,因此必須配合溫補時鐘,一個頻率為10 MHz通用TCXO。如果成本許可,也可以用更高性能的OCXO或者原子鐘代替。另外,Hackrf ONE是半雙工設備,而且只有一個RF口,兼做接收與發射,因此必須通過射頻開關來進行切換。當采用BladeRF x40的時候,由于其為全雙工設備,射頻開關RF SWITCH 3可以省去。

控制和存儲電腦上編寫相應的程序,用以控制SDR平臺的操作,并存儲錄制的信號,同時還需要通過I/O擴展器控制射頻開關進行錄制和回放功能的切換以及控制程控衰減器,以調節回放信號的強度。由于數據吞吐量較大,計算機應使用固態硬盤,并具有USB 3.0接口。

如果要避免信號回放的時候對其他設備造成干擾,則應采用電纜耦合的方式,不要將信號送至發射天線。

I/O擴展盒由單片機ATMEGA 128與UART-USB接口轉換芯片FDTI FT232R構成,兩者配合完成接受電腦的指令,以控制射頻開關以及衰減器。

以Hackrf ONE為例,設備的工作狀況如下:

在信號錄制期間,電腦通過I/O擴展器控制射頻開關,使得這三個開關均位于1通路,從而低噪聲放大器的輸出端與混頻器的RF輸入端連接,混頻器的IF端與濾波器的輸入端連接,混頻器的輸出端與Hackrf ONE的RF端連接。

接收天線將GPS L1/L2和北斗B1的信號接收以后進行濾波、放大,然后送至低噪聲放大器進行放大,再經過射頻開關RF SWITCH 1送至混頻器的RF端,混頻器將此信號與LO端來自本振的頻率為170 MHz的本振信號進行混頻,混頻結果為:

L1: 1 405.42 MHz

L2: 1 397.6 MHz

B1: 1 391.098 MHz

同時還有三個鏡像信號:

1 745.42 MHz,1 057.6 MHz,1 731.098 MHz可見,經過混頻,L1,L2,B1三個頻點的相對關系發生了變化,本來是L2,B1,L1呈頻率遞增關系的,混頻后,L2位于中間,L1和B1分別落在L2的兩邊,頻率中心間距分別為7.82 MHz和6.502 MHz.這種分布更有利于均衡分配三個頻點的損失,減少它們之間的影響。

三個鏡像信號在本系統中屬于無用信號,在采樣的時候會被丟棄。

混頻后的信號經過射頻開關RFSWITCH2進入濾波器,允許通過的信號只有以1 400 MHz為中心,帶寬為20 MHz的信號,即以1 405.42 MHz,1 397.6 MHz以及1 391.098 MHz為中心的三個信號。而鏡像信號(以1 745.42 MHz,1 057.6 MHz,1 731.098 MHz為中心的三個信號)在此被濾除。

經過濾波后的信號經過射頻開關RFSWTICH3,送入HackRF ONE的RF端,由電腦控制 HackRF ONE對其進行采樣存儲,采樣參數設置為中心頻率1 397.6 MHz,采樣位寬8比特,采樣率為20 MSPS,采樣方式為IQ正交。采樣文件經過USB總線送至電腦進行存儲。

在信號回放期間,電腦通過I/O擴展器控制射頻開關,使得這三個射頻開關均位于2通路,從而 HackRF ONE的RF端與混頻器的RF輸入端連接,混頻器的IF輸出端與濾波器FILTER 2的輸入端連接。然后電腦將錄制期間得到的采樣文件送至HackRF ONE進行回放,回放的參數與錄制的參數一致,也是中心頻率1 397.6 MHz,位寬8 bit,采樣率為20 MSPS.則在HackRF ONE的RF輸出端得到的射頻信號中,包含了中心頻率分別為1 405.42 MHz,1 397.6 MHz和1 391.098 MHz的三個信號。該信號經過射頻開關送至混頻器的RF輸入端,與來自本振的170 MHz本振信號混頻,得到還原后的1 575.42 MHz,1 227.6 MHz、1 561.098 MHz三個信號,同時還有三個鏡像信號:1 235.42 MHz,1 567.6 MHz,1 221.098 MHz,這些信號經過射頻開關,送至濾波器,經過濾波后,1 235.42 MHz,1 567.6 MHz,1 221.098三個不需要的鏡像幅度得以降低。濾波后的信號送至可調衰減器,由電腦通過I/O擴展器控制可調衰減器的衰減幅度,以得到合適的信號強度,最后送至發射天線。至此,錄制的信號得以還原。

圖4是在研制過程中該設備的原型機圖。該原型機采用了BladeRF作為錄放設備,為了做多個接收機同時測試的實驗,輸出端采用了1分4射頻功率分配器,大約相當于在鏈路中接入了6 dB的衰減器。

3 性能評估測試

為驗證本GNSS信號錄制與回放設備的性能,用以下方法對設備進行基本測試:

1) 用功率分配器將GNSS接收天線接收來的真實GNSS信號分成兩路,一路給GNSS接收機,另一路給本設備;

2) 觀察接收機的接收情況,同時打開接收機的數據記錄功能,進行定位數據以及星座信息的記錄;

3) 則啟動本設備進行數據采集,錄制信號,并保持10分鐘;

4) 斷開GNSS接收天線,冷啟動GNSS接收機;

5) 將本設備的輸出接到GNSS接收機上,進行信號的回放,再次記錄GNSS接收機的定位數據以及星座信息;

6) 反復進行步驟5)對比結果。

測試結果如下:

1) BladeRF x40記錄的文件大小為96 GB,L1/L2/B1信號均可以被接收機迅速捕獲跟蹤并進入定位過程,對比步驟2)中得到的數據記錄,除了信號強度有差別外,其余星座分布、定位信息、多普勒值等均一致(定位結果符合單點定位的誤差范圍)。

2) HackRF ONE記錄的文件大小為24 GB,L1/B1信號均可以被接收機迅速捕獲跟蹤并進入定位過程,對比步驟2)中得到的數據記錄,除了信號強度有差別外,其余星座分布、定位信息、多普勒值等均一致(定位結果符合單點定位的誤差范圍)。L2信號跟蹤過程不理想,跟蹤較為困難,而且有丟失現象。

3) 經過多次實驗,結果一致性很好,達到實用性要求。

4 結束語

本文中設計的GNSS信號錄制設備,通過合理巧妙地利用變頻產生的和頻與差頻信號,具備成本低廉,結構簡單,性能穩定的特點,可以滿足教學實驗、接收機研發與生產、算法驗證等多種場合的需求,而且設備基于SDR平臺,其軟硬件都比較透明,適合用于教學演示,方便進行功能擴展。通過測試可以知道,當使用BladeRF x40作為采集回放設備的時候,效果較好,但是成本略高;當采用HackRF ONE作為采集回放設備的時候,L1/B1兩個頻點工作完全正常,但并不太適合L2的錄制回放,原因是頻譜間的重疊、帶內損耗不平坦以及時鐘性能受限,但其優點是成本低廉。相對于現在市場上動輒數百萬的同類設備,采用本文實現的GNSS信號錄制與回放設備的成本大約降低到原來的幾十分之一,經過在本學院教學實驗過程中使用以及本地一家GNSS設備研發制造單位測試使用,效果良好。當前設備存在的最大問題,是采集的數據文件都比較大,這樣對存儲系統的要求就會過于苛刻,容易造成信號不連續。由于GNSS信號實際上并不需要如此寬的位寬進行采集存儲,太寬的位寬增加了成本和資源消耗,而對于性能的提高有限[1],因此,可通過減小位寬來解決,另一方面,當采用HackRF ONE作為采集回放設備的時候,如果是一般的民用,可以直接取消L2頻段,這樣帶寬可以更窄,采樣率也可以隨之降低。例如使用BladeRF x40作為采集回放設備的時候,如果采用2 bits進行記錄,數據量將減少到原來的1/8;而如果使用HackRF ONE,僅采集回放L1/B1,則可以將帶寬縮至6 MHz甚至更低,再將位寬減少到2 bits,則數據量減少到不及原來的1/12,即每秒大約3.33 MB,10 min的數據量大約為2 GB.這樣一來,將更有助于實用化。