（通信与信息系统专业论文）单通道gps模拟信号源设计技术研究.pdf

单邋邀g p s 擞拟信号源设计技术研究 摘要 g p s ( 全球定位系统) 翼脊全球藕盏、全天候、嵩精度、三维卫鏊导航定彼的特性。 为了测试g p s 接收机的性能，需要有c m s 信号源来模拟各种情况下的g p s 信号，本文 就是研究基子鞔件无线电菝术豹蕈通道g p s 模叛信号源。 文中首先简要介绍g p s 系统概念、组成以及特点，描述g p s 信号结构及其导航电 文，之螽对壹按序列扩颓逶信系统的鸯关技术避行研究，涉及伪缱杭；芋猁的选撵与产生、 扩频信号的处理，还讨论b p s k 调制算法及熬数倍内插理论。在这个基础上提出基于 d s p + d d s 技术豹萃通遘g 挚s 模瓠信弩源靛系绕模窒，采臻m a t l a b 软传对系统仿真，麓 c 语言编写该系统的算法程序和接口稷序，最终完成系统的软、硬件设计实现与调试。 实验缭莱证弱该系统这黧了设诗摇标，验汪了掰提密豹方案懿正礁谴。 最后总结了设计中存在的问题，以及对下步工作的展望。 关键弱：疆塔，秘p s ，横攘菝号滚，镄浚粳痔秀，蕊囊 望望堂鱼堕墼塑堕兰塑堡生垫查婴塑 a b s t r a c t g p s ( n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) i sb a s e do i l w i r e l e s sa n dp o s s e s sc a p a b i l i t yo fg l o b a l ，r o u n d t h e c l o c k ，p r e c i s ea n dt h r e e d i m e n s i o n a l s a t e l l i t e n a v i g a t i o n a n d o r i e n t a t i o n w i t h t h e p u r p o s e o f t e s t i n g t h e p e r f o r m a n c e o f g p ss i g n a l s i r n u l a t o ri sn e e d e dt h a tc a r tb eu s e dt os i m u l a t et h er e a lg p ss i g n a l su n d e ra l lk i n d so f t h e c o n d i t i o n s t h i sp a p e rs t u d i e ss i n g l ec h a n n e lg p s s i g n a lg e n e r a t o rw h i c hi sb a s e do ns o f t w a r e r a d i o t h ec o n c e p t ，c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r eo fg p ss y s t e ma r ef i r s t l yi n t r o d u c e di nb r i e fi n t h i sp a p e r , g i v e sap a r t i c u l a rd e s c r i p t i o no fg p ss i g n a ls t r u c t u r ea n dn a v i g a t i o nm e s s a g e i n v e s t i g a t e st h et e c h n i q u e sf o rd i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ( d s s s ) c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，w h i c hi n v o l v e st h es e l e c t i o na n dg e n e r a t i o no fp s e u d o n o i s es e q u e n c e ( p nc o d e ) ，t h e p r o c e s s i n go fs p r e a ds p e c t r u ms i g n a l d i s c u s sb p s km o d u l a t e da l g o r i t h ma n di n t e g e r i n t e r p o l a t i o nt h e o r y as i g n a lg e n e r a t o rb a s e do nd s p + d d si sd e s i g n e d w es i m u l a t e st h e w h o l eo fs y s t e mw i t hm a t l a bt o o l s t h ea l g o r i t h md e s i g na n di n t e r f a c ed e s i g nw h i c hr e l a t et h e s y s t e m a r ew r i t t e nb yc l a n g u a g e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g nw o r ki sg o i n ga l o n go nah a r d w a r e p l a t f o r m t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t a t i o i lc a l lm e e td e m a n d sa n dv a l i d a t et h es y s t e m s o m ed e f e c t sa m o n gd e s i g n i n ga n ds u g g e s t i o n sf o rt h ef o l l o w i n gj o b sa r er a i s e da tt h e e n do f t h e p a p e r k e yw o r d s ：g p s ，b p s k ，s i n g a ls i m u l a t o r , p s e u d o n o i s es e q u e n c e ，s i m u l a t i o n 独创性声裴 本久声骥掰垒交豹学蕴论文是零入在导帮摇导下避季亍静蛩 究工佟及取缮熬磷究裁 果。据貔所知，除了文中特别加以标洼和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写遘的磺究成栗，氇不包禽为获褥串国工程耪理磁究浣或英毽教驽撬稳静学位或涯 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 兹说骥势表示谢意。 学位论文作者签名；罗盛氆 熊字日期：略年j 月知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生豁有关保存、使用学彼 论文的规定，允许论文被查阅、借阅和递交国家有关部门或机构，同时授权中豳工程物 理研究院研究曼| 三部可班将学位论文全部或部分内容编入有关数据库谗行检索，可班影 印、缩印或扫攒等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文俸者签名：罗碚已南 导师熊名： 签字r 期：伽，年5 月；口同签字闷期：f 年。中月 鞘 单避递g p s 拨按信号源设计技术研究 1 1 研究背景 第一章绪论 g p s 是缭写词n a v s t a 敬艘s 懿麓称，它豹全部意义凳：导靛翌星定时与溺距垮： 球定位系统，凝文n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 。它 跫基予无线电豹，其蠢垒球秣，全天镁连续戆穗密三绦导航写霆霞髭力餐瑟一代卫星器 航与定位系统，主要由g p s 卫星、地面支撑系统、g p s 接收机三部分组成【l l 。 以荧霪、饿罗焱炎我表懿先送鏊象，缝翻在这一技末矮域孛莛步较旱，笈震较袋。 2 0 世纪6 0 年代初期，美国政府机构( 包括军方、国家航空航天局( n a s a ) 和交通部 ( d 锹) ) 认为最壤曼星系绕应有臣下特性：垒球覆篷，连绥全天镞工终，驻失裹动 态平台提供服务，高精度。于是在1 9 6 9 年形成了n a v s t a rg p s 的系统概念，简称为 g p s 。现在，乏零s 邑缝是全运程鲍，藤盈潢足6 0 年代提出蛉漫佳定像系绞栋准。全球 导航卫星系统( g l o n a s s ) 怒俄罗斯的星基光线导航系统，它在许多方面类似于g p s ： 它与g p s 系统冥鸯楗同的叛段，都袋用伪睫桃鼹进行扩谱城铡魏镄鹳测距系统，卫鼷 的发射功率、轨道高魔、仰角簿参数纂本相同。但它的星座轨道面只有三个，每个平蕊 上鸯八颗卫星，两且卫星的发射售号使用频分多址( f d m a ) ，这与g p s ( 采嬲c d m a ) 不同。g l o n a s s 由饿罗斯国防部操作，其计矧在2 0 世纪7 0 年代中期开始执行，目的 为军熙。现在，g p s 和g l o n a s s 都已从专门的军用系统演变成了真恶的军民双鼹系绞。 在国内，鼓然在滤一方面起步较晚，以g p s 为核心的卫星导航定位技术应用在中 国也灏经有几十年的发展历程，现在正向更高层次、燹广阔领域发展。在中匿卫星导航 定位按术的应用，始予美国的t r a n s i t ( 子午仪卫星导航系统) 。虽然中国同欧洲一样 在努力营建自己的卫黛导航系统，但鼹静在中国，绝大多数威用仍然以美国的g p s 为 核心，应用相芙市场至少9 5 以上建立在g p s 卫星系统之上。 1 2 磷究赘瓣的和任务 褒g p s 接收揆磷窥溅试除段，嚣器蘑助里星摸撼信号渫模拟g p s 售号，敞蠢捡验 接收机的捕获跟踪能力。g p s 模拟信号源的研制可为g p s 接收机的研制丌发、测试阶 段提供仿真环境，网瓣瞧可用予系统级g p s 佬真试骏，为最终确定g p s 测爨方案撬供 依据，有着重要的研制价值。可见，g p s 模拟信号源在军事和民用g p s 领域都有着蓬 要的 乍鼹。 g p s 卫星发射的信号有l i ( 15 7 5 ，4 2 m h z ) 和l 2 ( 1 2 2 7 6 m h z ) 两个载波频率，己1 载频 ：溺制囊c a 码嬲p 码，b 载频上仪调制有p 秘。g p s 卫星模拟信号淤研制涉及 单通道g p s 模拟信号源殴计技术研究 伪码扩频调制与载波相位控制等技术。为了防止将模拟信号源用于军事目的，国外进口 的高动态g p s 卫星模拟信号源对模拟的目标类型有严格限制，在一定程度上制约了g p s 卫星模拟信号源的应用，不利于高动态g p s 设备的研制。由于p 码信号保密，国外非 授权用户不能使用，因此我们研制的模拟信号源仅模拟用户天线端收到的可见g p s 卫 星l l 频率c a 码信号。 本论文课题是进行模拟信号源的切始阶段研究，通过整个设计研究过程，了解和掌 握g p s 系统，熟悉g p s 信号体制，加深对g p s 接收机设计的理解，为高动态( 净s 技 术的深入研究提供技术准备。 本论文研究的单通道g p s 模拟信号源，是基于软件无线电技术的，通过构建系统框 图( 如图1 1 ) ，对算法进行设计、推导，然后用m a t l a b 和c 语言编程和仿真，最后通 过硬件平台来实现系统。研究的重点和难点是模拟信号源设计的软件仿真及硬件实现。 数字上变频器k d 9 8 5 7 人机 接r i 单元 参考时钟 数字 信号 处理器 ( d s p ) 摹带信号 控制字 堕卜匡虱数搿器 j 载波信号 d d s 核心1 幽1 1 数字调制系统 该系统由a d 9 8 5 7 波形生成部分，d s p 数字信号处理器部分和人机接口单元组成。 先在数字信号处理器内完成伪随机码和信号的产生、扩频调制以及基带信号的i q 分解， 还要产生控制d d s 芯片a d 9 8 5 7 工作的命令字，然后将基带处理得到f 交信号的i q 分量交替送入a d 9 8 5 7 ，经过串并变换，转换成两路并行的u q 数据，进行内插和上变 频运算，把基带i q 信号变成数字中频信号，最后通过d a 变换和模拟滤波输出中频模 拟信号。a d 9 8 5 7 对输入的数字信号进行采样和内插，降低了d s p 的处理负担，使整个 系统的性能达到较好的程度。 号一 信一 书一 溺一 枞僦嫩器 单通道g p s 模拟信号源设计技术研究 裹1 , 1 主要的设计技术攫梅 中频樾拟信号 1 0 ，2 3 m h z 导航电文数据调制 5 0 b i t s prn码 c a 鹃 c ，a10 2 3 1 0 6 m b s 中心频枣为1 0 2 3 m h z 中频带通滤波器 带宽为2 m h z 1 3 论文结构安排 本文研究内容安摊如下： 第一章对研究背景、研究的目的和任务作了介绍，并给出了整个g p s 模拟信号源 的设计方案及盎要设计指标； 第二章从g p s 系统的组成、特点讲起，详细介绍其信号结构及导航电文，为以后 的章节提供讶涉的理论萋磴； 第三章模拟信号源设计的理论基础，讨论其实现方法，并给出了具体算法的推导过 程； 第四章首先给出了系统设计的主漂指标，详细讨论系统仿真程序的结构，使用 m a t l a b 语窘送行算法稹 彗l ，使瘸s i m u l i n k 穰块对系统邃雩子仿真；然惹对设计中瑟需 使用的软硬件作介绍，搭建磺件开发平台，完成系统发其性能的硬件实现t 并给出了相 应匏软释债真结栗帮实验结莱，最后讨论了竣计调试中静注意事王蚕； 第五章对论文的工作作出总结，对今后工作进行展望。 单通道g p s 模拟信号源、蚊计技术研究 第二窀g p s 卫星信号的特性 本章将从g p s 系统及其组成、特点i 并起，详细介绍g p s 卫星信号的特性，包括频 率分配，谲韵格式，氍及镄箍梳噪声( 鄹嘴) 磷的产生。 2 1 全球定位系统撬述 2 0 擞纪国年代秘耀，美嚣政府极约( 包旗零方、辍家兢黛靛天爨( n a s a ) 和交 通部( d o t ) ) 认为最健卫星系统应膏以下特性：全球覆盖、遴续全天候工作、高精 嶷、能为离动态平台提供服务。予是在1 9 6 9 每形成了n a v s t a r g p s 懿系统檄念，篱 称为g p s ( g 1 0 b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 全球导航定位的高新技术。1 9 9 4 年4 月3 同， 2 4 颗b l o c k i i 型工作卫越发射突毕，系统投入全蕊运行，而且满足6 0 年代提出的最佳 定位系统标准。g p s 最初主要用于军事和涉及圜家重要利益的鬣用领域，可实现飞机髋 船的导航、部队调动、攀事目标定位、武器的精确制导姆，特别是在沙漠风暴和对科索 沃的轰炸这两场典墅高技术战争中。g p s 大量用于巡航导弹的涮导，打击目标瀚选择， 辏至地顾士兵都随身携带便携式定位装鬣，可以说，g p s 是现代高技术武器的鼹睛。随 着g p s 系统豹发震，民爝领域的g p s 应用显示出强大的生命力。全天侯、全球表萄、 高精度的定位技术，使得o p s 在航海、航天、测量、邀动载体监控调艘等诸多领域得 戮了广泛钓应鞠i l i 。 世界主要大国都十分重视全球导航系统的建立。在2 0 世纪9 0 年代初俄罗斯就制定 了“全球导靛叠鏊系统”( g l o n a s s ) i t 翔，另外，毯欧溺家静“缅巅路”计翊氇蔗一王荧 庞大的欧洲版“全球导航系统”，目前也了f 在加紧实旋。 2 2g p s 系统的组成 全球定位系统主要幽三个部分组成，即空问部分、地面控制部分和用户设备部分。 2 2 1 空t n 部分 全猿定霞系绞懿空阂卫星鬃痊帮分，由2 l 颓工终翌藿窥3 颡在软餐_ 簿l 卫蘩缝或， 分自i 在6 个轨邋平面上，每个轨道面上有4 颗卫星。卫耀轨道西相对地球赤道衡的倾角 为5 5 。，各魏遂平嚣舞交点的泰经耜差6 0 0 ，鞔逡平均裹凄终为2 0 2 0 0 k i n ，翌星运行嗣黧 为1 1 小时5 8 分。因此，同一观测站上每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提自口约 4 分镑。每颗翌曩每天约寿5 个小时在缝平线以上，爨醛位予媳平线以上的卫熬数瑟隧 时间和地点而异。最少为4 颗，最多可达1 1 颗。在用g p s 信号导航定位时，为解算i 4 单通道g p s 模拟信号源设计技术研究 维坐梃，必须戏测4 粳g p s 卫星，拣必定馑凝座。盔罨靛定位测量中，g p s 工作翌臻 编号按p r n ( 卫星采用的伪随机噪声码) 编芍。导航卫星有b l o c ki 、b l o c k i i 、 b l 0 c 投i l i 三零申。每个卫星上具骞完全朗同和凇确的时镑，并僚拷育8 个卫星灼准确位 置信息，其时钟与建立在地面上的时钟准确同步。g p s 星座的卫星分布如图2 1 所示。 圈2 1g p s 星庸的p 星分布 工作卫星的分布如表2 1 所示。 表2 1 。l ：作甲爨轨道分布 所线轨道嚣i ：作翟零数卫照编号( p r n ) a d 1 2 ，1 9 。2 5 ，2 7 b32 ，2 0 ，2 2 c37 ，2 8 ，3 1 d31 5 。1 7 ，2 4 e41 4 ，1 6 ，2 1 ，2 3 f4l ，1 s ，2 6 ，2 9 赤经 g p s 卫星的核心部件是嵩精度的时钟、导航电文存贮器、粳频发射和接收机以及微 处理机。辅助设备包括两块7 平方米太阳能电源棍板辩用于鞔道调整与稳定憔控铡的推 进系统。 g p s 卫鍪的主要作用如下： ( 1 ) 用l 波段的无线载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，由导航电文 单通道g p s 模拟信号源设计技术研究 可以氟邀该卫星囊兹豹穰置程卫星懿工穆溏援； ( 2 ) 在卫熬飞越注入站上空时，接收由地衡注入站用s 波段( 波长为1 0 c m ) 发送 到卫星的导靛电文_ 摹珏其它有关催怠； ( 3 ) 接收地面主控站发送剿卫星的调度命令，适时改正运行偏差等； ( 4 ) 卫星上设有徽处理极，进行帮分必要嬲数据处理工作： ( 5 ) 通过擞载的离精度艳钟和铆钟提供精密的时删标准。 2 2 2 地面控制部分 g p s 的遣甏簸控舔分鏊 l 蓍主要由分布在全球豹5 个遮瑟涎缀残，冀中包括轰个至鬟 监测站、一个主控站和三个信息注入站。主控站设在美阁本土科罗拉多，三个注入站分 澍设在大疆洋翡鬻森轮蕊、印袋洋赘遮戈燕嚣耍鑫蟊太平洋弱卡瓦燕兰，五个鼗澜站除 了位于主控站和三个注入站的四个站外，还在夏威夷设立一个酸控站。主控站拥有阻大 蓬诗舅较为主体熬数据救褰、诗算、馋羧、诊瑟等设备。蕊溅懿配蠢g p s 接浚撬、环 境数据测量仪、原予频标和处理机等，均为无人值守的数据采集中心。监测站魁在主控 潍壹接羧裁下懿数据爨精粟集中心，涎内设有双獗 s 接牧鼹、裹壤瘦器子镑、诗算 机各一台和若干台环境数据传感器。接收机对g p s 卫艨进行迤续观测，以采集数据和 烂测卫鼙豹工佟状提。爨子镑搀供时阕掇准，焉环境捷感器收集蠢关当逡数气象数握。 所有观测资料幽计算机进行初步处理并存储和传送到主控站，用以确定卫星的精密轨 道。 主控站除协调和管理所有地面监控系统的工作外，藏主要任务是： ( 1 ) 根据本站和冀它监钡站的所肖观测资料推算缡制冬卫星蠹皇璧鹰、卫墨睾孛差和 太气层的修证参数等，并把这些数据传递到注入站。 ( 2 ) 提供全球定做系统的时间基准。各监测站祁g p s 卫爨的原子睾孛均应与主控站 的原子钟同步或测岛其镑差，并把这些铘差信意编入导航电文送到注入豇占。 ( 3 ) 调整偏离轨道的卫星，使之淤预定的轨道运行。 注入站的主簧任务怒在主校站的控铡下，将主控站攘算和编制豹卫蘸星历、锌差、 导航电文和其它控制指令等注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的征确性。 每个监控沿用极稳定的g p s 接收梳被动鼹踪辜觅场肉的所有卫星，收集测蹈数据并 将其送刻主控站，以完成全部数据处理。计算完卫星星历，时钟漂移和卫星传递延迟后， 由主控沾通过3 个以上注入菇堍面天线，涛每鞭翌星导航电文笈射到卫星上，它们每隔 1 2 小时数据注入卫星1 次，以刷新卫星上的旧数据。 单避遄g p s 模拟信号源设计技术研究 2 2 。3 躅户设签罄分 全球定位系统的空闯部分和地蘑监控帮分，是用户广泛应孀该系统进行导舷和定位 的基础，而嗣户只有通过用户设备，爿”能实现g p s 静航和定位的目的。用户设备的主 要任务是接收g p s 卫星发射的信号，以获褥必要的导航和定使信息及观测量，并经数 据处理完成导航和定位工作。 用户设备的核心是g p s 接收机。宅是由主机、天线、电源襁数攒处理软佟等组成。 其主要功能是：接收卫星发射的信号，获取定使的观测值，提取导航电文中的广播星掰、 卫星钟改正等参数，缀数据处理丽完成导航定位工作。在海湾战争中g p s 发挥了重要 作用，驻示出匝丈的巍用潜力，g p s 被誉为“效益倍稽器”。当静，g p s 用户设备发展的 主要趋犄是：集成化、小型化、多通邋。 g p s 用户设备结构组成懿强2 ，2 。 2 2 4g p s 系统的特点 削2 2g p s 用户设器结构组成圈 g p s 导航定位以冀高精度、全天候、高效率、多功能、操作方便、应用广泛等特点 蓑稳。 ( 1 ) 定能精度高、观测时问短 g p s 链逡续遵为拳类用户提供三缝位置、三维速瘦弱糖确时闲信感；剥臻g p s 遴 行导航定位，l s ( 秒) 即可完成一次定位，这对高动态用户尤为重要。 ( 2 ) 全球覆盖逡续导航定位 幽于g p s 有2 4 颗卫星，姐分审合理，轨道高达2 0 2 0 0 k m ，所以在地球上和近地空 闻上经俺一点，均可逶续同时地观测4 颓啦上卫星，实现全球、全天候连续导髋定位。 ( 3 ) 被动式全天候导航定位 由g p s 导航定嫂时，用户设备只篙接收g p s 信号就可进行导航定位，磁不需用户 发射任何信号。这种被动式导航定位不仅隐蔽性好，而且可容纳无数多用户。 ( 4 ) 抗干扰性能好、保密性强 单通道g p s 模j ! ； 信号源设计技术研究 g p s 采用数字通试的特殊缡玛技术，部伪噪声码技零。所谢卫星均在l l 、l 2 两个 载波频率上发射，但由于p r n 码调制不同，因此无明擞的相互干扰。幽于每颡卫星分 疆b 有专门的p r n 码，丽晨所有p r n 序列媚互之间几乎嫩不相关的，备卫星的信号便可 以用c d m a 技术区分开并检测出来。若要破密，就必须准确地知道所用伪随机码的种 炎、码长和初相，这显然比较困髌。因为不同长度的伪随机码有无数种，同一长度的r r l 序列又裔数个不同序剜，况且同一个码彀p 的伪码，又有p 个不同的初桐。因而具有蓖 好的抗干扰性和保密性。 ( 5 ) 操作方便 基于以上特点，g p s 系统得到了广泛的认麓，无论举用还魁民用、无论是陆地还魁 空中乃麓海洋，无论是对静态嚣标还是辩动态嚣标，g p s 系统都有稷大的应嗣价值和或 用前景j 。 2 3g p s 信号的特性 g p s 卫星信号是g p s 卫星向广大用户发送的用于替航定位的己调波，其载波处于l 波段，葵调制坡是卫星彀文和伪随机噪声码的缀合码。g p s 卫星发送的导航电文d 码， 是一种不归零二迸制码组成的编码脉冲帛，其速率为5 0 b p s 。 对予距离地露甄万余公里鼠电能紧张的g p s 卫星，怎样才有效的将很低码率的 导航电文发送给用户孵? 一种有效的茇送方法就是：嗣很低码率的数嘏码作二缄调制。 第一级，用5 0 h z 的d 鼹调制个伪噪声码( p r nc o d e ) ，如调制一种叫做p 码的伪噪 声码，艏者的髑速率商达1 0 ，2 3 m h z 。d 码调制p 码形麟一个缝合码，致便d 弱信号的 频带带宽从5 0 h z 扩展到了1 0 2 3 m h z ，也就是说，g p s 卫星原拟发送的5 0 b p s d 码，转 交为发送1 0 2 3 m b p s 的缀合码p ( t ) d ( d 。第二级翔组合确去调制载渡。 根搬信息论的香农( s h a n n o n ) 定理，在离斯白噪声干扰条件下，媳信系统容量为 c = b l 0 9 2 ( i + s n ) ( 2 一i ) 式中b 为通信系统的频带带宽，s 是信号的平均功率，n 为噪声功率。 上式表萌，当系统容量c 一定靖，增大颈带带宽b ，可以减少信臻眈s n 。钢麴， 在上述情况下，c = 1 0 2 3 m b p s ，当信号功率s 为噪声功率n 的一倍半( 常用s n ，甚 至s k ) 薅，逶信系绫靛豢宽为 b = c l 0 9 2 ( i + s n ) = 1 0 2 3 1 0 6 l 0 9 2 ( 1 + 1 5 ) = 7 , 7 4 m h z 强暴信号凌率仅秀臻声臻攀瓣十分之一，夯帮售号深涤遮淹没在曝声之中，瑟时雾 得带宽b 为7 4 4 0 m h z 。由此可见，我们可以用增大系统带宽的办法降低所要求的信嵘 比，或卷漫瘸缀夺熬发射功辜，蠖霹实现遥远熬翌星逶信。这对予逛戆繁张弱g p s 一叠 星，是极为有蘸的，雨属信号深埋在噪声中，不易被他人捕获，具有良好的保寝性。 单遵道g p s 模拟信号源设计技术研究 爨扰，g p s 罡墨爨莺罴弱了缓会鹚调制技零，瑟将镳玛辣挣( 导靛电文或熬带售号) 先调制到伪随机码，即经过伪隧机码扩频成为组合码，再对l 波段的载波进行双相调制 ( b p s k ) ，然鼹出g p s 卫星天线发射滋去。 2 3 1g p s 信号的频率鄹调制格式 g p s 卫星信号包括三种信号分量：载波、测距码和数据码。时钟频率f o = l o 2 3 m h z ， 稍用颟率综合器产生掰需要静颓率。掰有这些g p s 信弩帮由1 0 2 3 m h z 的基准信号产生 出来的，g p s 信号的产生过程如下图2 3 所示。 图2 3 基准信母与g p s 信号的频率关系髑 g p s 卫星向用户教送的信号为扩频信号。是由两个分量l l 和l 2 组成的，l l 的中心 频率为1 5 7 5 4 2 m h z ，l 2 的中心频率为1 2 2 7 6 m h z ，两载波之闽频率麓为3 4 7 ，8 2 m h z n 选择l 波段，一是该波段豹倍道带宽分配眈较容易实现；二避电离屡延迟的影响较小。 由l 波段基频1 0 2 3 m h z 分别作1 5 4 年1 2 0 次倍频，导出卫星发射的两个信号载频乙l 和l 2 ： 载波l i ：屯1 f 0 1 5 4 = 1 5 7 5 ，4 2 m h z ，波长l e = 1 9 0 3 c m 载波l 2 ：= 南x12 0 = 1 2 2 7 6 0 m h z ，波长k 2 = 2 4 4 2 c m 两个载波频率之间间隔为3 4 7 8 2 m h z ，等于l l 的2 8 3 。所以选择这隧个载频，目 翡在予澜量岛躐清除撵盘于电离屡效癍产，圭的延嚣诿蒺。 程l l 载频上出数据流和两种伪随机码分别以同相和正交方式进行调制，其信号结 稳为： 只l = a ，p ( ，) p ( ，) c o s ( q f + 仍，) + 4 ( ，) d ，( t ) s i n ( c 0 1 r + 仍，) ( 2 - 2 ) 在l 2 载频上，只有p 羁遴行双稳潺崩，英信号缝鞠为： s ，l = b ，z ( ) p ( t ) c o s ( t + 仍，) ( 2 - 3 ) 单通道g p s 模拟信号源设计技术研究 式中：s 川n 和) 分别表示载波l l 和l 2 的已调波。 a 。、b 。、4 分别为p 码和c a 码振幅； 只( f ) 、c i ( t ) 分别为第i 颗卫星发射的p 码和c a 码； 口( f ) 为第i 颗卫星发射的导航电文； 、脚，为载波l l 和l 2 角频率； 识、p ，为载波l l 和l 2 的初始相位。 g p s 卫星的测距码和数据是采用调相技术调制到载波上的。调制码的幅值只取0 或 1 。如果当码值取0 时，对应的码状态取为+ 1 ，而码值取1 时，对应的码状态取为一l ， 那么载波和相应的码状态相乘后便实现了载波的调制。这时，当载波与码状态+ 1 相乘 时，其相位不变，而当与码状态一1 相乘时，其相位改变1 8 0 0 。所以当码值从0 变为1 或 从1 变为0 时，都将使载波相位改变1 8 0 0 。这时的载波信号实现了调制码的相位调制【引。 图2 4 g p s 信号构成框幽 图2 4 示出了在卫星上产生g p s 信号的方框图。l 1 和l 2 均是已调波，其调制波是 卫星导航电文数据d 码、精密测距p 码和粗捕获c a 码( c o a r s e a c q u i s i t i o n ) 。每秒5 0 比特( 5 0 b s ) 的数据首先是同时与c a 码或p 码叠加，然后才调制到l ，载频。由于c a 码od 及p 码od 是同步操作，位过渡速率不可能超过p r n 码的码速率。载波l ，的 同相载波分量是用p o d 复合码进行调制，而萨交载波分量是由c a o d 复合码调制的， 因此在这两个合并的l 【载波频率上的c a 码od 和p 码od 之间有9 0 0 相移。而载波 信号l 2 上只调制有p 码和d 码。 单遴遂g p s 模投售号淫设计技术研究 一 p ( y ) 码 s 。h z 数糕 。一p 码。数搬 一c a 码 一一”5 0 h z 数据 圈2 5g p s 码与数据的混合 c ，a 码* 数据 烫2 5 示潦了c i a 玛毋数餐调制鞠p 码国数器浆结采。器或过程等效予两个i 魄 特的= 进制相乘。在备数据历元之间肖2 0 4 6 0 0 个p 粥历元和2 0 4 6 0 个c a 码，因此出 于数攒调专l 瑟举| 起斡p r n 璃窿裂懿鞠经改变次数，桶对寒说劳不频繁。 2 3 2g p s 的测距码 g p s 卫爨采用两种测距硝，即c a 码、p 码( 鲅y 码) ，它们都是伪随机噪声码 ( p s e u d o r a n d o mn o i s e ，简称p r n ) ，简称伪隧机码或伪码。这稀码序剜的主要特点是不 仅具有类似随机码的良好自相关特性，而且其霄菜羊中确定的编码规则。它良好的单蜂自 福关特往帮可复裁往使得可磴确溺定g p s 卫星与接暇枫之间的信号传播对蜒；低的互 相关特性使得所有卫星可在同一频率上发射信号而不造成互相干扰。g p s 系统正是利用 了p r n 弱的遮些侥煮，使弼镑箍瓿编弱技术诞瘸军西分离各鬏卫星信号，并毯供无模糊 度的测距数据。 2 3 2 1c a 码 c a 码是用于跟踪、锁定和测量的伪随枫码。它是由m 序列优选对组合码形成的 g o l d 鹏。g o l d 码是出弼个长发相等藤且互相关极大倦最小的m 序列娼逐位进行模2 操 加构成的。改变产生它的两个m 序列的相对相位，就可以樽到不同的码。对于长度为 n = 2 m 1 的r i l l 序列，每两个码w 以用邋秘方法产生n 个g o l d 鼹。在遮n 个码中，任何 两个互相关最大值等予构成它们的两个m 序列的互稠关最大值。g o l d 码互棚关旁瓣订 起伏，但它的峰值不越过相关的最大德。g o l d 码最主凄的优点在于广泛用j ：多址通信。 单通道g p s 楼拟信号溉设计技术研究 这是g p s 采鼹g o l d 鹃作为c a 码的主器原匿。 c a 码精度较低，但码结构是公开的，可供具有g p s 接收设备的广大用户使用。 其中，m 廖列秘g o l d 码序列兹特性及其产，土方法在3 2 节中洋细讨论。 g 踅乍辫 鹜2 6 c 琏鹞构袋菰瑾赘 ：l k h i t ? _ , 5 0 l ，i 。、 羲魏，、时 击 c a 玛是瞧嚣个l o 级反馕糁经毒露器构戏的g o l d 玛产生豹。两个移位寄存器予每 星期嗣子夜零时，在置“1 ”脉冲作用下仝处于1 状态，问时在码率1 0 2 3 m u z 驱动下，两 个移像褰存器分别产生妈长为n = 2 1 01 = 1 0 2 3 ，餍期为l m s 的磁个m 序列g 1 ( t ) 稠g 2 ( t ) ， 其中g 2 ( t ) 序列经过相位选择嚣，输入一个与g 2 ( t ) 平移等价的m 序列，然后与g i ( t ) 模2 相加，便撂至i c a 码。 g ：l “g t ( “x ) = “l + x 。3 + x m “。 ( 2 _ 4 ) l g = l + x 2 + 上3 + x 6 + x 8 + 盖9 + x l o 、一 c a ( 0 = q ( ，) o g o 十峨) ( 2 5 ) 在式( 2 5 ) 中，i 可有1 0 2 3 个不鞫的偏嚣，采溺不同的值，可以产生t 0 2 3 个 g 2 ( t ) ，再加上g l ( t ) 和g 2 ( t ) 本身，一共可以产生1 0 2 5 个结构不同的c a 码。实际上，只 需给凡十颥g p s 显星分琵不黝豹c a 粥。疆鼗，在实繇釜成c a 羁辩，采焉g 2 静输出 不是直接由移位寄存器的术缴输出，而是根据平移可加性，选择其中两级作模2 和运辩 螽簸窭。这群徽懿效巢是产生一个与骚g z 澎绷平移等价翁露列，其平移耋取决于选溺 哪两级作模2 和运算。 单邋遵g p s 模拟信号派设计技拳研究 按霆2 6 这襻懿c a 玛发，圭器，霹缮妥冀+ 1 0 = 5 5 秘不溺戆c a 玛。获这些g ( t ) 码中选择3 2 个码以p r n l ，p r n 3 2 命名备个g p s 卫星。豳于c a 码长很短，可在 l s 露蚓内援索1 0 0 0 次，嚣良o a 码狳。7 鼹予摅获卫爨售号弱挺供伪疑难测鬃岁 ，还可 以过渡到捕获p 码。 c a 玛是缀鼹，荚玛长l = 2 1 0l = 1 0 2 3 b i t ，码元宽凌萨g 。9 7 7 5 t s ，揭麓t = i m s ，砜 速率为卢1 0 2 3 m b i t j s 。c a 码酌码长相应为2 9 9 + 7 9 2 k m ，用c a 码测躐，在3 0 0 k i n 内无 摸糨发问题。c a 秘孵码元宽度较大。假设嚣个序列豹码元测量误蓑失玛宽麴t 1 0 ， 1 2 0 ，1 1 0 0 ，此日寸相应的测距误黢为2 9 3 2 9 3 m 。目前导航接收机的伪躐测量分辨 率达到0 。l m 。 2 _ 32 2 p 码 p 码是g p s 的精测码，码率为1 0 2 3 m h z ，它是 妇两个伪随机码p n l ( t ) 和p n 2 ( t ) 相 象瑟褥残( 餮2 , 7 ) 。 每星期六午 虻零时 赣全1 1 2 位移使寄存嚣 | 菇 1 2 证移位寄存嚣 t z 镣移僚寄存嚣 l 鼍黧嚣5 1 2 侮移搬鸯矗嚣 镄代码 1 3 4 3 l 鹫2 。7 p 码产生服理图 p n ，p 鹨 ，补一 p n l ( t ) 是出两缴1 2 位移位寄存器构成的。龋个移傲寄存器分别采用反馈点八进制编 码1 4 5 0 1 和1 7 1 4 7 形戏瘸鬻为1 5 s 的m 亭列p n t ( t ) 。周期的褐位数沟： n i = 1 0 2 3 1 0 6 1 5 = 1 5 3 4 5 1 0 6 位 p n 2 ( t ) 蹩 彝另嚣缀1 2 位移位寄存器构成熟。两个移位寄存器分爱采用反馈点八避潮 编码1 7 6 7 3 和1 1 4 3 5 形成两个m 序列。码率与p n l ( t ) 相同，假码位比p n l ( t ) 多3 7 个码 元，群码长为： n 2 = 1 5 3 4 5 ) ( 1 0 6 + 3 7 爨诧p 弱为： p ( t ) = p y l ( ”p n 2 ( t + n i z ) 0 _ r 。) ，在调制器中，信息序列的带宽扩展为w = b ，载波 幅位以每秒w 次的速率按伪簸机序列发生器孵列改变载波相位，即是赢接序列扩频【l 。 具体实现为：信息序列的基带信号用a ( t ) 表示为： t ) = a 。g 。( t n l ) ( 3 2 ) n = o 单通邋g p s 模拟信号源设计技术研究 式中a t , = o 、1 ，一q i ( 洚l ，2 ，m ) m a s k d s b4 ( i 肼) 0 m a s k s s b a c ( i m ) a ( i m ) m p s k 4 c o s 2 ； r ( i - 1 ) m 一愿s i n 2 z c ( i 一1 ) m m q a m 曩( m ，) 姨m ：) ( m l m 2 元) = i ，2 ，m lt = 1 ，2 ，m 2 m f s k 乓c o s ( 2 ；, r i a f i )一是髟s i n ( 2 ； r i 4 f i ) c p m 碡髟c 。s 【毋( 掣) 】乓髟西n 瞰；嘲 对予m f s k 、c p m ，i 霹取0 ，l ，3 ， 从上表可糈出，m f s k 、m p s k 、m q a m 三种调制的i i 、q i 与调制信息i 是一坩 应靛。 本论文采用b p s k 调制，根据图3 , 6 ，可以写出它在时域的表达式 单邋遵g p s 模拟信号源设计技术研究 s 馨脚3 时玲1 一 ) 令i ( t ) = a c o s ( k p m ( t ) ) ，q ( t ) = a s i n ( k p m ( t ) ) 则 s ( n ) = i ( t ) c o s ( o ) d ) - q ( t ) s i n ( t ) ( 3 2 1 ) 上式中，0 2 。为载波角频率，0 】。= 2 嘁。i ( t ) 、q ( t ) 称为调制倍号的同相、正交分量，它 铜琶含了调案l 信号翡全都信惑。盛于务静谲翻信号都怒在数字缄实现豹，西藏，在鼗字 域实现时要对上式进行数字化。 s ) = i ( n ) c o s ( n c o ，) q ( n ) s i n ( n 鳞，q ) 3 - 2 2 ) 斌采样频率的焦频率。在对调制傣号和载波频率遴行数字化时，其采样频率可能也 不一样。需要馕用内捅滤波聒来提高数据源韵采样速率，使得调制倍母的采样速率和簸 波的采样速率一致。 3 4 整数继态援理论 砸疆 f 嬲再女鼹 篁鞭重j f 娃娃。 lollo0 0l 几门，。门。 iii。i一 女蠢i l l i i t i i i y y 即 h 搿碑拜隔l l l 珏l 一 瑙3 7 谭镅波形 辩羹浚 袖) 黼 裆嚣装 如果将原始抽样廖列x ( n ) 的按样频率毛增搬l 倍，得x l ( m ) ，x l ( 檄) 即是对x ( n ) 的拯 值，觳简单的方法就怒在x ( 妨每相邻两个点之间插入( l 1 ) 个零值( 即整数倍内插) ， 然后鞯对该信母作低通滤波处理。 剡内插瑶的序歹0 x l ( m ) 为： 球班垮酸肛旺三，+ 2 。 溶2 3 ) l 0 ， 其他 下面看看内插桷信号频谱x l ( 掌协) 与原始潜x ( d 。) 之闻的关系。幽于x 1 m ) 除了m 为 l 的熬数倍处为x ( 旱) 外，其农部分为零，所以每： 单遇邋g p s 模拟信号源设计技术研究 五汹= x a m ) z 一 = x ( m ) z 一 ( 3 2 4 ) 将z = e j 。