基于SDR的GPS信号测试仪研制

卢晓红 张俊华 陈钦碧

(1.兰州27支局21信箱21号，酒泉 732750；2.兰州27支局15信箱17号，酒泉 732750)



基于SDR的GPS信号测试仪研制

卢晓红1张俊华2陈钦碧2

(1.兰州27支局21信箱21号，酒泉 732750；2.兰州27支局15信箱17号，酒泉 732750)

针对特定测试要求，研制了GPS信号测试仪，利用产品化电路模块搭建硬件体系，研究基于SDR技术的GPS信号测试分析方法；描述各硬件模块间的接口设计、信号处理的过程及关键技术环节、系统技术指标；讨论基于SDR实现GPS信号捕获解调算法的注意事项，给出具体的数字变频及重采样算法。

SDR信号处理；数字混频；GPS信号捕获跟踪；软件化测试仪

0 引言

某些场合，需测试转发到室内的GPS卫星信号幅度等参数，分离出每颗单独卫星的信号，由于GPS卫星信号采用码分复用(CDMA)扩频技术，各卫星的信号混杂在一起，从频谱及时域波形看，属于类噪声信号，且信号到达地球表面附近的功率微弱，幅度低于热噪声[1]，GPS卫星信号的这些特点，导致传统的频谱仪、功率计、矢量信号分析仪等仪器设备无法满足上述测试需求；此外市场上现有大量GPS终端，但其功能及发展重点是在获取定位信息的情况下，结合数字地图、惯导组合等技术提供良好的导航及生活应用体验，对GPS信号本身的幅度等只有相对显示，也不满足测试要求，为此，必须研究专用的GPS信号测试仪。

经过前期调研，确立对GPS信号进行放大、混频，将射频信号转换为频率较低的中频信号，然后对中频信号进行数据采集，最后通过软件无线电(SDR)技术，用数字信号处理的方式实现对GPS信号进行测量的设计方案。

1 硬件组成

在确定了基于SDR进行GPS信号测试后，进行了大量选型、分析比较及硬件模块连通性设计工作，最终系统组成如图1所示。从信号流向看，主要包括四大部分：1)天线将空间的无线电信号转换为电信号；2)MAX2769A完成信号放大和混频；3)USB9812C完成信号模数转换，将模拟信号转变为数字信号；4)通用计算机完成数字信号处理和GPS卫星信号参数测量。

图1 系统组成

1.1 硬件模块功能

图1中虚线所框部分，集成安装到仪器箱内，内部连接如图2所示，射频和中频信号使用SMA电缆连接。MAX2769A完成GPS信号的放大和变频，输出4.092MHz中频信号；USB9812C对该中频信号进行AD变换，量程为±2.5V，采样速率为12.5MHz，输出为8位无符号整数(UINT8)，输入电压U与采样数据d的关系为：

(1)

图2 GPS信号采集器内部连接

MAX2769A的端口LNA2用于连接有源天线，设计通过5μH的电感给有源天线馈电(馈电电压为3.0V)，对于1575.42MHz的GPS信号，供电通路阻抗约50kΩ，对比进入LNA2的交流耦合通路阻抗50Ω相当于开路，不影响信号阻抗匹配。

1.2 硬件接口设计

软件中直接调用驱动API向USB端口发送USB9812C控制命令；而MAX2769A的控制必须通过额外的接口电路才能实现。通过分析两个模块的电路特点、输入输出特性及时序要求，实现了对MAX2769A的初始化及状态控制，包括对其使能、闲置、增益、IQ通路等参数的控制。其硬件接口如图2所示，控制线序如表1所示，需要注意的是MAX2769A的数字接口外观为并口，但接口协议不同。

表1 USB9812C与MAX2769A接口

USB9812C和MAX2769A数字接口均为TTL电平，因此，USB9812C的J8端口提供的数字IO可以直接连接到MAX2769A的并口输入。MAX2769A控制时序通过在软件中按要求不断变换、保持、再变换USB9812C数字IO输出的电平实现，从而合理利用板载功能，解决MAX2769A控制接口设计难题。

2 软件设计

2.1 软件功能模块

软件功能模块主要包括：人机接口、硬件控制、信号采集、信号处理、校准修正、数据存储及事后回放分析等。从采样数据中对各GPS卫星信号进行提取和测量是仪器要实现的核心功能，基于SDR开发，流程如图3所示。其他诸如可见卫星预测、对幅度进行标定、存储/呈现测量结果等，是对核心功能的必要扩展。测试仪采用软件修正技术：通过标准信号源对测试仪的通道增益等特性进行标校，将显示结果校准到测试仪输入端口或天线口面处。

图3 基于SDR的处理流程

2.2 软件关键技术

软件设计中的关键技术包括两项：1)GPS信号捕获、跟踪算法的实现；2)数字变频及重采样算法。

2.2.1 捕获跟踪算法

GPS信号捕获、跟踪算法在文后所列参考文献[1-2]，此处重点介绍算法实现中的关键环节及注意事项。

单颗GPS卫星信号的捕获过程为：1)生成该卫星的不同码时延的PRN码信号，码时延范围涵盖一个完整C/A码周期(1ms)；2)生成不同频率的载波信号，频率变化范围与要测量的多普勒频移范围对应；3)用生成的不同码时延(时间平移)PRN码信号和不同频率(频率平移)载波信号与采样信号进行相关运算；4)在时移、频移的两维空间寻找相关运算的峰值，峰值与周边噪声的比值作为判据，大于设定值则捕获成功，得到跟踪初始条件，即峰值对应的码时延和载波频移。

捕获算法比较直观，只有一点要注意，即用作相关运算的信号时间长度要与本地生成载波频率的步进值对应，比如说步进值为100Hz，则必须选择持续时间不小于10ms(100Hz的倒数)信号进行相关运算，如果信号时间太短，则频率分辨率太差，使得小的频率步进值无意义，无法提高实际相关性。

跟踪指通过PLL及DLL两个锁相环路的锁定，解调出混杂在一起的各GPS卫星的信号，环路中本振和本地码信号的初始值设置为捕获过程获得的结果。环路过程为：对本振(及本地码)与采样信号的相位(及码时延)偏差进行检测、滤波，通过负反馈控制本振频率(及码生成器的频率)，使本振(及本地码)锁定到采样信号中的GPS卫星信号上。其中PLL环路采用COSTAS环以消除GPS信号中调制信息造成相位翻转的影响。

需要注意的是：1)滤波环路输入为相差(或码时延)，而非信号幅度，即对鉴相结果进行滤波；2)由于要解扩C/A码，其周期为1ms，自然每1ms进行一次鉴相，从而使得滤波环路中滤波器处理的是1ms采样率的信号，在计算滤波器参数时要以1ms采样率考虑，即两个锁相环路的实现中存在多速率处理的问题，一是基带信号本身的采样率，一是鉴相/滤波的采样率。

实现捕获跟踪算法后，从跟踪输出可得到各GPS信号的解调码流，用软件算法对其进行各种检波即可得到信号幅度、功率等参数。

2.2.2 数字变频及重采样

数字变频及重采样算法有两个作用：1)实现了中频实信号向基带复信号的转换，便于与已有的数字信号处理模块集成；2)通过分析信号带宽需求，利用重采样降低数据量，提高处理速度。以采集到原始信号为x(n)考虑，数字变频及重采样算法如下：

1)进行数字混频。混频输出x1(n)为：

x1(n)=x(n)×e-2p fn

式中，n的取值范围为0～N-1，N为数据点数；e-2p fn为复本振信号，f=4.092MHz。

2)对混频输出信号进行低通滤波。滤除混频产生的高频分量，只保留以0Hz为中心(实际中心取决于GPS信号的多普勒频移)的复基带信号，为保持线性相位使用了FIR滤波器，滤波器-6dB频率选择为fs/10(此时复信号带宽为fs/5=12.5÷10×2=2.5MHz，大于GPS信号C/A码调制带宽)。滤波过程如下：

x2(n)=filter[x1(n)]=x1(n)⊗b(k)

式中，b(k)为滤波器系数，k取值0～M，M为FIR滤波器阶次，实现中取值为30；⊗表示卷积；x2(n)为滤波后的输出，具体FIR滤波器系数使用MATLAB函数fir1设计。

3)重采样。即对滤波输出后的信号进行4倍抽取，等效复采样率为fs/4，具体如下

x3(n)=x2(4n)

式中，n的取值范围为1～N/4；x3(n)为所需的复基带信号，数据抽取后实际数据量降低一半，在满足GPS信号C/A码调制带宽的条件下，有效减小后续信号处理的负担。

3 功能、主要技术指标及测试

经过近一年开发，研制完成后的GPS信号测试仪可对L1频段、不同GPS卫星C/A码信号的幅度、多普勒频率等参数进行测量，显示不同GPS卫星信号的IQ图、解调波形等，还具有卫星位置预测、测量时段内信号幅度统计、可见卫星数目统计以及频谱显示等功能，主用户界面如图4所示。测试仪设计技术指标如下：

图4 仪器软件主界面

1)使用有源天线，可测量单颗GPS卫星信号的幅度范围为-140～-125dBm；

2)无源端口GPS信号幅度测试范围为：-115～-100dBm，精度优于±1.5dB；

3)多普勒频率测量范围为：-7～7kHz，精度优于±0.1kHz。

对GPS测试仪的关键技术指标进行了测试，标准仪器为安捷伦公司的E8267D矢量信号源，配备GPS信号生成选件422和409，以E8267D矢量信号源的输出作为标准值，部分测试数据如表2和表3所示，测试结果表明各项技术指标满足设计要求。

表2 幅度精度测试

表3 多普勒频率精度测试

4 结束语

GPS信号测试仪总的设计思路是简化硬件，强化软件，通过采用市场上已经具有的、成熟的、模块化的硬件产品搭建系统，保证系统的可靠性和易实现性；研制中精力重点放在与工作相关的特定测试需求上，研究具体的信号处理、测试及分析算法，并通过计算机以软件方式实现，解决了所要测试信号调制复杂、新的测试需求不断涌现、普通仪器难以测量、需要快速开发测试系统的难题。GPS信号测试仪的实现开辟了仪器软件化实践的新路，对面向实际开展新的计量测试方法研究提供了很好的借鉴。

[1] Elliott D.Kaplan、Christopher J.Hegarty.Understanding GPS: principles and applications 2nd.ARTECK HOUSE，2006

[2] JAMES BAO-YEN TSUI.Fundamentals of global positioning system receivers : a software approach 2nd.Wiley Interscince Publishing，2005

[3] Kai Borre，Dennis M.Akos，Nicolaj Bertelsen et al.A Software-Defined GPS and Galileo Receiver: A Single-Frequency Approach.Boston，2007

[4] 张健，张惠.GPS接收机检定中数据后处理关键问题研究.计量技术，2010(4)

[5] Ahmed El-Rabbany.Introduction to GPS: The Global Positioning System.ARTECK HOUSE，2002

[6] 陈洪侠，范龙江.基于虚拟仪器技术的三相工频谐波信号发生器的设计.计量技术，2010(2)

[7] 张俊华.电位降法接地电阻测量中测试棒间距对测量结果的影响分析.计量技术，2010(10)

[8] Douglas A.Godsoe.A Realtime Software GNSS Receiver Development Framework.University of New Brunswick，2010

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.1.08