GPS基带信号源的数字模拟实现

　　在GPS接收机的研制过程中,特别是在基带处理部分的调试过程中,由于实际的GPS信号为CD-MA(码分多址)格式,多个通道信号叠加,同时还受到地球自转和大气层折射产生的多普勒频移的影响,在基带处理功能尚不完善时,通道信号往往不易捕获;另外如果前端射频部件性能不稳定,基带部分的调试也会受到制约,往往延长了调试周期,大大增加调试难度。

　　目前使用的的卫星信号模拟器多为国外产品,价格昂贵,可以固定地发射某颗卫星的信号,虽然去除了多普勒频移对信号的影响,但都是从接收机整机角度出发提供的模拟信号,需要前端射频部件的配合,不能提供真正用于基带信号调试的中频信号源。如果能有一个用于基带调试的GPS信号源,无疑会对接收机的调试带来极大的方便。GPS信号的发射载波频率为1575. 42MHz,通过下变频模块下变频到基带信号的载波频率为46.42MHz,GPS码频率为1. 023MHz,我们只要模拟出信号在进入基带模块之前的特性,就可以用作基带模块的调试信号源。本文通过对GPS信号的分析,研究了一种数字信号源的产生方法,它可以模拟一颗或多颗GPS卫星信号,考虑到调试接收机的动态捕获性能,信号源中还模拟了信号在运动状态下的情况。GPS模拟源采用数字化方式,在FPGA中实现,为GPS接收机的调试提供方便、灵活的信号源支持。该方法已经过实验验证,完全具备实际信号源基带处理所需的信号质量。下面将详细介绍该GPS数字信号源的产生过程。

　　1　GPS卫星信号组成分析

　　GPS卫星信号之所以能够用来导航定位,主要在于GPS卫星上的导航电文,导航电文中包括了每颗GPS卫星的星历,所谓GPS星历,是一系列描述GPS卫星运动及其轨道的参数。接收机只有在接收到了这些参数后,才能够进行定位解算,直至导航定位。

　　为了节省卫星的电能,增强卫星导航定位信号的抗干扰性,导航电文的发送采用了扩频技术,即把含有导航电文的信号利用伪随机码扩展到一个很宽的频带上,然后再调制上载波发射出去。通过这个过程可以知道GPS卫星信号的组成,即数据、伪随机码和载波,数学关系如式(1)和式(2)所示。

　　其中,aI(t),aQ(t)分别表示调制在同一频率的2个相正交的载波上的导航数据流,cI(t), cQ(t)分别表示2个正交载波支路上的伪随机码序列,ω0即调制时使用的载波的角速度, cosω0t和sinω0t分别表示同相、正交相的载波形式。

　　2　GPS信号源的产生

　　由上面的分析可以得到GPS信号的产生过程,同时也就得到了GPS模拟信号源的产生原理,接下来要用数字方法得到信号源,并真实的反映实际的信号特性,产生原理如图1所示。其中,N代表卫星号,表示GPS的32颗卫星。