GNSS衛星信號采集回放系統基本原理與實現研究*

鄭瀟男 左建生 胥婕

1.上海市計量測試技術研究院 上海 201203；

2.國家衛星導航與定位服務產品質量監督檢驗中心(上海) 上海 201203

引言

近年來，全球導航衛星系統GNSS (Global Navigation Satellite System)快速發展，GNSS已滲透到現代化社會的各個領域，但在全球導航衛星應用中，GNSS接收機所處環境帶來的誤差源的情況復雜，對導航信號電參數的影響差異巨大，難以通過統一的模型進行檢測或消除，使得接收機的定位性能嚴重依賴于周圍環境。GNSS衛星信號采集與回放儀可以通過錄制真實的GNSS衛星信號，回放給GNSS接收設備進行測試，從而推動高精度GNSS接收設備的研發。

1 GNSS衛星信號采集回放系統的關鍵技術

1.1 采樣定理

采樣定理為模擬信號數字化的基礎性理論之一，在GNSS信號采集應用中可進一步分為低通采樣定理與帶通采樣定理[1]。

（1）低通采樣定理

低通信號為f(t)，而低通信號的采樣過程 為周期性沖擊函數δ（Tt）與低通信號為f(t)的乘積，進一步根據頻域卷積定理可得：

當抽樣頻率大于等于兩倍的截止頻率時，即sω≥時，則頻譜無混疊問題（見圖1），可將低通濾波信號無失真地轉化為原始信號；若sω＜2mω，則可出現混疊問題，抽樣頻率失真（見和圖2），此為低通采樣定理。

圖1 高抽樣頻率時的抽樣信號及其頻譜

圖2 低抽樣頻率時的抽樣信號及其頻譜

（2）帶通采樣定理

低通采樣原理主要用以處理(0,fm)頻率范圍內的基帶信號。對于帶限頻率對于頻率限制在fL與fH之間的帶通型信號，由于 范圍內采樣頻率過高，導致低通采樣原理無法適用。帶通采樣定理則將信號設為f(t)，對其展開采樣時，采樣速率fs需滿足式（2）：

式（2）中B為fH-fL，N為小于等于 的最大正整數，M為 ，在采樣速率fs下得到的 可還原出中頻信號fs。帶通采樣定理在實際使用時通常需引入抗混疊濾波器，調節信號頻率，以此得到帶通信號，將信號統一為中頻信號。

1.2 模數轉換技術

模數轉換主要借助模數轉換器（ADC）完成，經過采樣、量化、編碼后將模擬信號轉化為數字信號。①采樣：需選取符合低通、帶通采樣定理的采樣率，以此規避信號頻譜混疊問題。②量化：將連續變化的采樣信號幅度分級處理則為量化過程，分級間隔均勻的量化稱之為均勻量化，此時產生的量化電平為常數，其數值大小與量化級數、變化范圍有關。③編碼：經處理后的模擬信號可用不同整數倍的量化點評表示，此時可產生量化位數（1倍數量化電平），在不同信號場合下可存在多種編碼方式，采用特定編碼方式即可完成數字編碼過程[2]。

1.3 數模轉換技術

數模轉換器（DAC）的作用與模數轉換器（ADC）的作用是相反的，數模轉換是將數字信號轉換為模擬信號的過程。數字量是用代碼按數位組合起來表示的，對于有權碼，每位代碼都有一定的位權。為了將數字量轉換成模擬量，必須將每1位的代碼按其位權的大小轉換成相應的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數字量成正比的總模擬量，從而實現了數字模擬轉換。

2 GNSS衛星信號采集回放系統的關鍵技術指標

基于與GNSS衛星信號采集回放系統關鍵技術原理分析，既要考慮到RFRP（Radio Frequency Record Playback射頻信號記錄回放）的技術特點，又兼顧GNSS導航信號的技術特點[3]。

2.1 射頻信號通用特性

（1）帶寬：該指標決定了導航信號采集回放儀每通道能夠采集的信號帶寬；

（2）帶內平坦度：評價回放信號的線性失真程度；

（3）無雜散動態范圍：采集回放信號中最大雜波分量相對于載波電平的大小。

（4）回放信號功率特性：對采集回放儀的回放信號輸出功率控制性能進行評價，包括：功率范圍、絕對功率準確度、功率線性等。

（5）回放信號頻率特性：對采集回放儀的回放信號的輸出頻率性能進行評估，主要包括頻率偏差和頻率穩定度。

2.2 GNSS衛星信號采集回放質量特性

（1）GNSS衛星信號類型：評價導航信號回放儀是否能夠正確采集和回放各星座、頻點的導航信號。

（2）GNSS衛星信號回放質量：包括：偽距準確度、偽距變化率準確度和定位回放一致性等決定該信號是否能夠滿足導航要求的指標。

3 GNSS衛星信號采集回放系統的具體實現方式

隨著 GPS，GLONASS，Galileo，BeiDou等四大衛星系統的迅速發展，GNSS衛星信號采集回放系統逐漸受到了各高校、研究所與企業的重視，紛紛加大了科研與資助的力度，研制了基于硬件、軟件及混合架構的信號采集回放儀。張婉明等[4]基于ARM與FPGA設計了一種便攜式衛星信號采集回放系統，使用SSD做存儲介質增加了系統的靈活性。王海洲等基于軟件無線電的方法對衛星信號進行采集回放，通過衛星模擬器和真實信號采集回放實驗驗證了系統的正確性。目前國內外GNSS衛星信號采集回放產品較多，例如Bird X-COM IQC5000B、NI PXIe-1082、Spirent GSS6450、LabSat 3、湖南衛導 PRS2000、湖南矩陣REC7640等[5]。本文分析了基于軟件無線電外設（USRP）的GNSS衛星信號采集回復系統的基本實現形式[6]，利用司南J350s板卡進行了實驗驗證。

3.1 采集系統

在主機CPU支撐下對信號波形進行處理，完成信號調制、解調，而采樣過程則依托于FPGA，天線接收到射頻信號將展開濾波、放大等預處理，完成后則模擬信號經過ADC時完成數模轉化，最終GNSS信號經PCI接口、以太網后傳輸至主機，以此完成信號采集，采集的逆過程則為信號回放過程，而承載此數據處理過程的平臺可采用USRP平臺。

采集系統的設計應依托于USRP平臺信號接發過程，展開GNSS衛星信號采集系統設計時，可采用B210系列USRP平臺，射頻收發芯片包括獨立的接收端口及發送端口，射頻范圍為70MHz～6GHz，B210系列USRP平臺可通過USB接口與主機連接，無須外接子板即可完全集成化。B210系列USRP平臺包含低噪聲放大器（LNA）、頻帶整形濾波器、混頻器、正交（Q）放大器，由射頻天線接收GNSS信號后需經過放大與濾波預處理，且在功分器作用下將GNSS信號引入模數轉換、變頻過程，并將操作完成后的數據存儲至計算機，此外另一部分GNSS信號將被接入司南J350s接收板卡，在司南J350s接收板卡輔助下完成信號參數采集與記錄，在后續回放實驗中，可將回放信號接入司南J350s接收板卡，司南J350s接收板卡可完成原始信號數據與回放數據的進一步對比分析，以此確保采集信號與回放信號相對應。

3.2 回放系統

采集系統可直接將所采集到的信號數據存儲至電腦硬盤，而回放系統存儲數據可經過無插值選項的可編程FIR濾波器，經FIR濾波器輸出后被傳遞至插值濾波器，通過額外濾波與速率插值處理后到達DAC，經Q通道與I通道后進入RF模塊展開變頻。為確保回放信號保真度，可借助司南J350s接收板卡完成回放信號驗證處理，與采集系統原始信號數據參數對比，以此了解到回放信號質量效果。

GNSS衛星信號采集回放系統的最小通道帶寬應能滿足至少一個頻點的導航信號的采集，各導航信號的帶寬在2.096MHz(GPS L1)～51.150MHz（Galileo E5)之間，具體如下表：

表1 GNSS衛星信號頻率及帶寬

3.3 載噪比估計算法

信號質量通常借助信噪比（SNR）代表，其為信號功率PR與噪聲功率N間的比值，即信噪比參量均與噪聲帶寬有關，每次應用信噪比存在不便，信噪比與載噪比間存在對應關系，因此可借用載噪比了解信號質量，載噪比為（C/N0），與噪聲帶寬數值無關，其具體計算方式為載噪比是表示信號能量與1Hz帶寬的噪聲能量的比值，其大小與接收機所采用的帶寬無關，高的載噪比可以提供更好的信號接收率、通信質量和提高可靠性。

對于接收機的噪聲系數，其第一級低噪放的噪聲系數對其影響最大，假設接收機噪聲系數≈低噪放噪聲系數，根據本標準中對檢定設備的要求，應小于1.5dB，按1.5dB計算，則接收機在輸入功率為-130dBm時，應不低于42.5dBHz，一般接收機在≥40dBHz時，均可以正常工作。

4 結束語

綜上所述，本文展開了GNSS衛星信號采集回放系統基本原理以關鍵指標的分析，以采樣定理、模數轉換技術和數模轉換技術為理論基礎，以B210系列USRP平臺為支撐，借助司南J350s接收板卡，論證了GNSS衛星信號采集回放系統實現的方式。