基于FPGA和DDR2的北斗導航信號模擬

周彬，宋茂忠，熊駿，李增紅

（1.南京航空航天大學 江蘇省物聯網與控制重點實驗室，江蘇 南京　210016；2.中國電子科技集團第41研究所山東 青島　266555）

基于FPGA和DDR2的北斗導航信號模擬

周彬1，宋茂忠1，熊駿1，李增紅2

（1.南京航空航天大學 江蘇省物聯網與控制重點實驗室，江蘇 南京210016；2.中國電子科技集團第41研究所山東 青島266555）

北斗衛星導航信號模擬是接收機開發與復雜環境下性能評估的關鍵技術。給出一種基于文件產生與播放的簡易模擬產生方法。文件產生部分提出了一種對不同衛星建立信號采樣時間與衛星發射時間的時間壓擴算法，實現了時變多普勒和偽距的模擬，生成了衛星導航接收機處的復雜信號。播放硬件以FPGA和DDR2為基礎，通過PCI將信號文件傳入DDR2，在FPGA中實現了數據的連續讀取，經插值濾波和數模轉換后形成中頻信號，再經射頻調制輸出。通過北斗接收機的測試，證明了信號產生和播放硬件方案的可行性。

北斗；信號模擬；時變多普勒；時間壓擴；DDR2

在北斗高性能接收機的開發研制與性能評估過程中，能夠產生各種復雜環境下衛星導航信號的模擬源系統必不可少，它可以在實驗室等室內環境下為導航終端的性能測試提供高精度仿真信號。目前北斗衛星導航信號模擬技術以國內為主［1］。文獻［2］通過衛星星歷近似計算載波多普勒與信號延遲，進而在計算機上模擬衛星中頻信號；文獻［3］基于衛星航跡、載噪比等參數從軟件方面建立了對北斗B1中頻信號的仿真系統；文獻［4］則在SIMULINK平臺上仿真了多普勒可控的北斗信號；但以上都未提及信號的硬件實現。而國內科研單位如國防科大、華力創通等均研制出可模擬多顆可見星的北斗信號源，但都針對實時信號仿真模式，硬件環境復雜、成本較高且可移植性不好。

文獻［5］以USB為數據傳輸媒介，通過采集與回放的方式模擬衛星導航信號。但采集信號受實際接收機條件的限制，可模擬的環境復雜度不高，也不利于單環境因素影響評估。

文中利用通用計算平臺的信號文件產生，以任意波播放儀器平臺為基礎，實現一種便于向信號發生器儀器移植的北斗信號模擬方法。

1　北斗中頻信號文件產生的數學模型

在不考慮多徑誤差及其他信號干擾的情況下，以fs為采樣率，即每隔 Ts采一個點，第i顆衛星B1I支路中頻數字信號可表示為：

其中，A為測距碼振幅；Di為導航數據 （對于MEO、IGSO為經NH碼調制后的導航數據）；CI為測距碼；φI為載波初始相位；Rnoise為噪聲信號。

根據文獻［6］，多普勒變化可以通過時間壓擴關系表示：

τcode，τcarri為第i顆北斗衛星信號在傳播過程中的偽碼延時和載波延時，包含了電離層延時、對流層延時和鐘差，可以通過下面的形式求取：

于是式（1）可以表示為：

其中τ0、τ1、τ2、τ3為相繼間隔Δt的4個時間點傳播時延，其初始值可以通過收斂的迭代算法計算出［7］。υτ、aτ、a′τ是傳播時延的一階變化率以及二階、三階導數，Nt是將進行均勻抽樣后的時間序列。因此N顆衛星的中頻信號數學模型可以表示為：

根據式（5），分別生成含有時變偽碼相位與載波相位的測距碼、載波和導航數據，將計算得到的所有可見星疊加得到多顆星的復合信號。然后將多顆星復合信號進行2bit量化，最終得到北斗信號中頻數據文件。時間壓擴模型在時間上建立了時變多普勒和偽距變化之間的關系，即碼傳播時延和載波時延，通過獲得準確時間關系就可得到時變的多普勒和偽距。而碼傳播時延和載波時延僅在電離層時延符號上不同，因此該模型為北斗中頻信號模擬提供了一種簡單的算法。

2　播放系統硬件設計與實現

文中衛星導航信號生成方案采用FPGA+DDR2的讀寫式結構，即由FPGA控制DDR2中導航數據的讀寫，將導航數據按照一定的格式緩存于DDR2中，然后將導航數據讀取后進行相應的數字信號處理。系統的總體結構由工控機組件、用于數據存儲的DDR2模塊、PCI模塊、由FPGA實現的數據處理模塊、射頻模塊以及一些其他外圍器件模塊組成，具體結構如圖1所示。

圖1　模擬源系統結構圖

2.1DDR2 SDRAM讀寫設計

在北斗模擬源系統的設計中，要實現導航信號的長時間連續播發，無疑會積累大量的導航數據。這一特點對內存的容量和速率提出了較高要求，由于FPGA片內RAM資源有限，所以在基帶信號生成模塊的設計中就必須增加片外存儲單元［8］。在選擇片外存儲器時需注意帶寬與速率、數據存儲容量、成本、延時以及功率消耗等參數，在綜合考慮各方面因素后本文選擇DDR2作為數據存儲單元。

在用戶接口模塊的設計中采用深度為1024的FIFO對地址/命令和數據的讀/寫進行緩沖和同步，以防止DDR2控制器在對DDR2刷新時或者用戶數據讀寫速率過快而造成的數據丟失或地址錯位。用戶接口模塊主要包括讀命令FIFO、讀/寫地址FIFO和讀/寫數據FIFO。內存條用戶接口控制模塊中數據讀寫控制流程圖如圖2所示。在寫過程中，由于PCI地址總線最大只能分配4GByte的地址空間，為了以后存儲容量的擴充，在程序的編寫中給PCI分配了一定的偏移地址用于擴充讀寫存儲空間。首先由PCI數據總線將數據送入寫數據FIFO中緩存，在DDR2準備就緒后，偏移地址同PCI總線地址構筑成新的地址值同數據一起分別送入DDR2的地址端口和數據端口，使數據按照一定的地址順序依次寫入DDR2中。

讀取過程同DDR2的寫入過程類似，在DDR2就緒后，按照讀地址FIFO緩存的寄存器地址值從低到高依次從DDR2中讀取相應位寬的數據。由于本設計中DDR2從刷新到數據的讀取需要大約65個時鐘周期，即大約300 ns的時間，所以在數據的讀取時應在觸發后延遲300 ns再發送讀取命令。

2.2數據處理模塊

對于模擬源回放系統來說，數據處理模塊必不可少，該模塊的主要作用是生成導航中頻信號。從DDR2讀取數據的位寬高于原始數據量化位寬，且DAC工作時鐘高于數據采樣時鐘，所以需要對讀出的數據進行并/串轉換和增采樣處理，以保證數據是按照原始數據的采樣點連續發出。并/串轉換模塊主要是通過異步FIFO與硬件語言生成的并轉串結構來實現。

圖2　DDR2用戶端口讀寫控制流程圖

對于北斗導航數據的增采樣處理，本文采用FARROW結構建立的分數重采樣濾波器來實現［10］。采用了一個256抽頭的插值低通濾波器，采樣率fs=200 MHz，通帶衰減頻率為fp=6.5 MHz。

3　信號的接收與測試驗證

3.1軟件接收機捕獲分析

根據本文建立的北斗信號中頻數學模型，生成了一組北斗導航數據，數據參數設置如下：1）載波中頻為3.996 875 MHz；2）信號采樣率為16.369 MHz；3）用戶坐標為北緯32.0402°和東經118.8154°；4）用戶時間為2015年5月13日。此時的可見星判斷為1、3、4、7、8、10、11、12號星。將生成的數據直接送入軟件接收機進行分析，捕獲結果如圖3所示。從圖中可以看出8顆星全被捕獲到。

圖3　捕獲結果分析

從捕獲結果圖可看出，捕獲到的載波頻率與預先設定的中頻頻率有一定偏差，差值為其多普勒頻率。比如就8號星來說，捕獲載波頻率為3998241.6667 Hz，與中頻之差為1367 Hz即捕獲到的多普勒頻偏。

3.2硬件接收機的測試驗證

北斗中頻數據經過基帶板處理和射頻端上變頻，由天線發出射頻信號后，需對其進行接收機測試。本次測試所采用的接收機為通用GPS/BD雙模接收機。圖4為解算后的衛星星座圖，由該圖可知，8顆星都被解算出并得出了各顆星的方位信息。具體的定位結果如圖5所示，經緯度信息與預先設定的值基本一致，存在微小偏差且在合理范圍之內。

圖4　衛星星座圖

圖5　接收機定位結果

通過上述分析可知，硬件接收機的測試結果與軟件接收機驗證結果基本一致，根據本文提出的方法所生產的北斗中頻信號符合北斗信號特征，且北斗模擬源回放系統可以較好的完成導航數據的回放，從而進一步說明了該設計的實用性。

4　結　論

將時變多普勒和偽距變化之間的關系反映在時間上，并在此基礎上建立了北斗信號中頻數學模型，該模型為北斗中頻信號模擬提供了一種簡單、實用的算法。系統實現中結合DDR2內存條的讀寫控制以及PCI寄存器配置等，設計了北斗模擬源回放系統，可以精確回放出真實場景下的北斗衛星信號。文中對系統的總體結構、DDR2的讀寫控制以及數字信號處理等進行了詳細分析，并通過軟、硬件接收機對北斗模擬源進行了充分驗證。實踐驗證，本文設計的北斗模擬源回放系統可以連續穩定的模擬真實環境下的北斗衛星導航信號，具有較強的實用性。

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Simulator of BeiDou navigation signal based on FPGA and DDR2

ZHOU Bin1，SONG Mao-zhong1，XIONG Jun1，LI Zeng-hong2
（1.JiangSu Province Internet of Things Key Library，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.The 41 Research Institute of China Electronics Technology Group，Qingdao 266555，China）

BeiDou satellite navigation signal simulation is a key technology of receiver development and performance evaluation under complicated environment.A simple simulation method based on files generation and replay is given.In file generating section，time companding algorithm establishing signal sampling time and satellite launch time of different satellite is proposed.The simulation of time-varying Doppler and pseudorange is achieved，and generating complex satellite navigation signal in receiver.Signal file read in a row which is launched into DDR2 through PCI is realized in the hardware based on FPGA and DDR2.The solution of signal generation and playback hardware is proved feasibility through intermediate frequency signal which is formed after interpolation filter and digital to analog conversion transmitted through radio frequency modulation and tested by BeiDou receiver.

BeiDou；signal simulation；time-varying Doppler；companding；DDR2

TN967.1

A

1674－6236（2016）06-0138-04

2015-10-20稿件編號：201510129

國家重大科學儀器設備開發專項子任務（2013YQ20060707）；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目

周彬（1988—），男，江蘇沛縣人，碩士研究生。研究方向：衛星導航。