软件无线电的卫星定位导航系统接收机应用研究

其中, X l ( n ) = A ( n ) co s[ Υ( n ) ] X Q (n ) = A ( n ) sin [ Υ( n ) ] 即: 同相分量和正交分量, 根据 X l ( n ) 和 X Q ( n ) 就可以对各种调制样式进行解调, 三大类解
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4 软件算法
软件无线电具有灵活性、 可扩展性等特点, 这主要是因为软件无线电的所有功能都是用软 件来实现的。 通过软件的增加、 修改和升级就可 以实现新的功能。 软件无线电式定位导航系统接 收机软件设计主要包括以下几个部分: 分拣出所 需信号的通道信号处理 ( 通道的数字信号处理包括 同步提取、 信号识别、 数字解调和数字解扩等) 、 定 位导航的计算和人机接口三个部分。 限于篇幅, 文 中重点介绍数字解调、 数字解扩的有关算法。 4. 1 数字信号的软件解调 软件无线 电的解调一般采 用数字相干解调 方法。 图 3 给出 用数字正交变频 法表示的正交分 解过程。
m= - ∞
∑a
+ ∞
m
g (n - m m
T
2
)
m= - ∞
∑ b g (n -
m)
4. 2 扩频信号的软件解扩 GPS 系统是扩频系统。 扩频技术实际上是
X Q (n - 1) ] - X Q (n ) [X l (n ) - X l (n - 1) ] = X l (n - 1) X Q (n ) - X Q (n - 1) X l (n )
Ω( n ) =
( 3)
m= - ∞
∑ [ g (n -
m )Ω m ]
在计算出瞬时相位后, 对 Ω( n ) 抽样判决, 即 可恢复数据。 ( 3) O PQ SK 数字解调 信号表达式:
+ ∞
调Leabharlann Baidu信号解调:
f ( n ) = Υ( n ) -
Υ( n - 1) = a rctg
X Q (n ) X l (n )
X Q ( n - 1) a rctg X l ( n - 1)
( 4)
S (n ) =
m= - ∞
∑A
+ ∞
m
g ( n - m ) co s ( Ξc n ) + m T
在计算时进行除法和反正切运算, 即使对于 专用数字处理器来说也比较复杂, 在用软件实现 时, 可以通过如下方法来简化: ′ ′ X l (n ) X Q (n ) - X l (n ) X Q (n ) (n ) = f (n ) = Υ ′ 2 2 X l (n ) + X Q (n ) ( 5) 对于调频信号, 其信号的幅度近似恒定, 不 2 妨设 X 2 l ( n ) + X Q ( n ) = 1, 则:
ZHAN G Y i, L I D uan 2yong, QU AN Yuan 2 w en ( In stitu te of E lectron ic Info rm a tion, N o rthw estern Po lytechn ica l U n iversity, X i’an 710072, Ch ina ) Abstract: T h is p ap er studies the sa tellite po sition ing and naviga tion system by app lica tion of softw a re radio fram ew o rk. A n efficien t ha rdw a re and softw a re m odu le of the receiver of th is system is p u t fo rw a rd and som e u sefu l study resu lts a re ob ta ined. It can p rovide som e reference w o rth to exp and the app lica tion field of Softw a re R adio and study the fram ew o rk of the sa tellite po sition ing and naviga tion receive system. Key words: softw a re radio; naviga tion, the sa tellite po sition ing, receiver
一种相关接收技术。 发射信号是由数据码、 伪随 机码调制的载波信号, 因此发射信号的带宽远远 大于数据码的带宽。 当发射信号到达接收机后, 利用相关检测技术, 将有用信号取出, 由于在扩 频调制时, 已将信号和噪声的频谱同时扩宽, 所 以在接收机内进行相关, 即利用窄带滤波器将干 扰信号除掉, 完成 SN R 远小于 1h 的微弱信号的 接收。
图 1 中频数字化的软件无线电系统结构
在这种实用的软件无线电系统结构中, 为 了满足现有 D SP 处理器的功能, 系统的 A D、
作者简介: 张怡 ( 1958—) , 女, 上海人, 副教授, 博士研究生, 研究方向: 智能控制与导航, 通信信号处理, 通信, 导 航, 测控系统的信息传输与处理, 多媒体与计算机通信技术。 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
图 2 软件无线电结构的卫星定位导航接收机硬件框图
图 2 给出了运用软件无线电思想设计出来 的卫星定位导航接收机的硬件框图。 卫星定位导 航接收机的关键器件主要包括: 宽带天线、 DD S、 高速 A D 和数字信号处理器 (D SP ) 。 宽带天线的选用上, 由于当前应用和研究的 卫 星 定 位 导 航 系 统 的 频 率 覆 盖 情 况 是: GPS ( L 1: 1575. 42M H Z; L 2: 1227. 60M H ZZ, GLONA SS (L 1: 1602 ±0. 5625M H Z; L 2: 1246 ± 0. 4375M H Z) , 北斗一号 ( 1600M H Z 左右 ) 因 此, 选用天线的带宽应该在 1. 2GH Z- 1. 6M H Z 之间, 为减少成本和减小设备的体积和重量, 可 以考虑使用一个天线。 高 速 A D 的 选 择: 信 道 带 宽 可 设 计 成 40 M H Z ( 覆盖 GPS 和 GLONA SS 等系统的 CA 码) , 分辨率尽可能高, 功率尽可能低, 接口选择
拟到数字、 从固定到移动之后的又一次突破。
1 引 言
软件无线电是一种新的无线通信体系结构, 其基本思想是把硬件作为无线通信基本平台, 而 把尽可能多的无线及个人通信功能用软件实现。 1992 年 5 月科学家 J eoM ito la 首次提出了软件 无线电概念之后, 这一新的体系迅速引起了人们 的关注。 从软件无线电的技术实现来看, 决定性的步 骤在于将 A D 和 D A 变换器尽量向射频端靠 拢, 应用宽带无线或多频段天线, 对整个中频频 段作 A D 变换, 这之后整个的信号处理都用可 编程数字器件特别是软件来实现。 可以看出, 这 样一种体系结构具有非常大的通用性, 对解决上 述提到的问题有很大的潜力, 可用来实现多频 段、 多用户和多体制的通用无线电, 使得通信系 统摆脱了面向设计思想, 被认为是无线通信从模
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
・12・ 调算法如下: 调幅信号解调:
A (n ) =
2 2 X l (n ) + X Q (n )
弹箭与制导学报
+ ∞
2004 年
3 硬件结构设计
随着现代 A D 变换器的高速发展, 其采样 率足够对中频信号进行直接采样, 因此在卫星导 航定位接收机中通常采用数字接收机。 所谓数字 接收机就是直接在射频或中频对接收信号进行 数字采样, 中频直接采样是用一路混频与 A D 采 样电路对模拟信号进行数字化, 然后用数字下变频 和数字滤波方法分离出 I、 Q 两路数字基带信号, 再通过数字处理器对数字基带信号进行处理。
T TL 电平。在 A D 器件选择上, 选用 AD 9432,
图 3 数字正交解调通用模型
对于连续波调制, 已调信号的表达式为: ( 1) S n = A ( n ) co s[ Ξ ( n ) + Η( n ) ] 由于频率和相位有一定的关系, 可将式 ( 1 ) 改写为:
S n = A ( n ) co s[ Ξc ( n ) + Υ( n ) ]
实现。
DDC 的选取用上: 由于系统采样速率约为 100M H Z, 而系统接收的码速率小于 1. 5 M H Z,
小于采样速率的 10% , 因此可经采用直接采样 模式。 由于软件无线电接收机中要采用一颗 数字解调、 解扩、 CPU D SP 来完成数据的分路、 译码以及数据的分拣和处理, 对处理器的速度要 求很高。 T I 公司生产的 TM S320C6201 定点处 理器, 其数据是 32 位, 高速的数据处理能力、 无 缝的外存器接口以及丰富的外设支持, 以及可靠 的精度都能够满足导航定位接收机的要求。
( 2)
式中 Ξc 表示载波的角频率。 则有: S n = A (n ) co s[ Υ(n ) ]co s ( Ξc n ) - A (n ) sin [ Υ(n ) ] ×
sin ( Ξc n ) = X l (n ) co s ( Ξc n ) - X Q (n ) sin ( Ξc n )
它是单片式 12 位器件, 片内有采样保持电路。 采 样速率可达 105M H z, 在整个频率工作范围内具 有 较 好 的 动 态 指 标, 该 芯 片 需 要 + 5V 供 电, T TL CM O S 电平输出, 内含基准源, 模拟偏差 信号和采样时钟都可以差分输入。
[ 关键词 ] 软件无线电; 导航; 卫星定位; 接收机 [ 中图分类号 ] V249. 32 [ 文献标识码 ] A
The Appl ica tion of Sof tware Rad io Fram ework on the Sa tell ite Pos iton ing and Nav iga tion System
第 24 卷第 4 期
软件无线电的卫星定位导航系统接收机应用研究 张 怡等
・1 1 ・
D A 变换器只能是尽可能地向 R F 端靠近, 由基
AD 9432 的 驱 动 放 大 可 以 用 AD 8138 来
带移到中频, 对整个中频系统频带进行采样, 这 样就可以尽可能及时地将接收到的模拟信号数 字化, 从而使信号产生、 调制、 编码、 解码等功能 均可通过 D SP 等器件完成, 这也是这种实用软 件无线电系统与传统的数通信系统的重大区别 所在。 前者可通过不同的软件算法, 使系统实现 不同的通信业务功能。
′ ′ f (n ) = X l (n ) X Q (n ) - X l (n ) X Q (n ) = X l (n ) [X Q (n ) -
m= - ∞
∑ b g (n m
2
) sin ( Ξc n )
对信号进行正交分解后, 得到同相和正交 分量:
+ ∞
同相分量: X l ( n ) = 正交分量 : X Q (n ) =
Ξ 收稿日期: 2004206224
2 软件无线电系统的通用结构
中频数字化的软件无线电系统结构如图 1 所示, 实际的软件无线电系统结构包括: 电源、 天 线、 多频段射频变换器, 含有 A D 、 D A 变换器 的芯片, 以及片上通用处理器及存储器。 该系统 也能实现各种无线电系统功能和一些相应的接 口功能。
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Ξ
软件无线电的卫星定位导航系统 接收机应用研究3
张 怡, 李端勇, 权元文
( 西北工业大学电子信息学院, 陕西 西安 710072) [ 摘要 ] 对软件无线电在卫星定位导航系统中的应用进行了研究, 提出子软件无线电模式的卫星定位导航系
统接收机的设计方案, 包括硬件构成和软件算法的实现, 给出了仿真结果。 所做工作对开拓软件无线电的应 用领域和卫星定位导航系统接收机结构的研究有一定的应用价值。