您的当前位置：首页正文

高动态GPS中频信号模拟器的关键技术研究

来源：帮我找美食网

第37卷　第12期2009年　12月　华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版)

J.HuazhongUniv.ofSci.&Tech.(NaturalScienceEdition)Vol.37No.12　Dec.　2009

向　洋　胡修林

(华中科技大学电子与信息工程系,湖北武汉430074)

摘要:提出了一种高动态GPS信号中时变多普勒频率的合成方法.通过对频率合成器中载波NCO输入频率控制字的有效设计来完成对输出信号频率及其一阶和二阶导数的精确控制,从而准确地模拟出卫星和GPS接收机之间在相对很高的运动速度、加速度和加加速度动态条件下,在接收的GPS信号载频上产生的很大的多普勒频移及其一阶和二阶变化率.典型高动态多普勒频率参数的实验合成结果证明了方法的正确性和有效性.

关　键　词:全球定位系统;模拟器;频率合成器;信号处理;时变系统;高动态中图分类号:TN966.5;P228.4　　文献标识码:A　　文章编号:167124512(2009)1220009204

KeytechniqueforanIFsignalsimulatorinhighdynamicGPS

XiangYang　HuXiulin

(DepartmentofElectronicsandInformationEngineering,HuazhongUniversity

ofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:Accurateandeffectivesynthesisoftime2varyingDopplerfrequencyinhighdynamicGPS(globalpositioningsystem)signalisakeytechniquewhenintermediatefrequency(IF)signalsimula2torisresearchedin.highdynamicGPS.Amethodforthesynthesisoftime2varyingDopplerfrequencyinhighdynamicGPSsignalispresented.ThemethodcanaccuratelycontrolthefrequencyanditsfirstandsecondderivativesofoutputsignalsfromafrequencysynthesizerbymeansofefficientlydesigningthefrequencycontrollingwordsofcarrierNCO(numericalcontrollingoscillator)inthesynthesizer,soastoaccuratelysimulatereceivedcarrierDopplerfrequencyshiftanditsfirstandsecondderivativesarisingfromrelativelyveryhighvelocity,accelerationandjerkbetweensatellitesandGPSreceivers.ThecorrectnessandvalidityoftheproposedschemeareconfirmedthroughthetheoreticaldeductionsandresultsoftheexperimentsonthesynthesisofsometypicalhighdynamicDopplerparametersKeywords:globalpositioningsystem;simulator;frequencysynthesizer;signalprocessing;timevar2

yingsystem;highdynamic

　　在高动态环境下,卫星和GPS接收机之间具

有很高的相对运动速度、加速度和加加速度,这使得GPS接收机接收信号的载波产生很大的多普勒频移以及多普勒频移的一阶和二阶变化率.高动态GPS信号模拟器必须精确地模拟出接收信号多普勒频率的这一高速时变特性,这正是高动态GPS信号模拟器区别于普通的中、低动态信号模拟设备的关键所在,也是其研究的难点所在.国外很早就开始了对高动态GPS信号模拟器的研

收稿日期:2009205208.

究并已获得成功,但由于涉及敏感技术,其内核对我国严格保密且没有公开发表的技术文献.有些国内文献[1～3]虽然以高动态GPS信号模拟器为研究对象,但其内容均未涉及高动态GPS信号中多普勒频移的变化模型和模拟方法.本文针对上述问题提出了一种能够精确合成出高动态GPS接收信号中多普勒频率各阶变化率参数的方法,并对该方法的频率合成原理和频率合成误差进行了理论推导和实验验证,实验结果证明了本文提

作者简介:向　洋(19802),男,博士研究生,E2mail:huanhuan914@yahoo.com.cn.

・10・　　华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版)　第37卷

出方法的正确性和有效性.

1　高动态GPS数字中频信号模拟

器结构

　　在高动态环境下,接收到的GPSL1和L2中频信号(不考虑噪声)可表示为:

π(fIF1+fd1(t))t+　SL1(t)=APPDsin[2

Φπ(fIF1+fd1(t))t+Φ0]+ACCDcos[20];(1)

π(fIF2+　SL2(t)=BPPDcos[2

fd2(t))t+Φ0],

(2)

需要合成的信号多普勒参数f0,f1和f2作为系

统的输入,将该输入经过一定系数的数乘、不同阶次的累加以及取整运算后,变换为可作为载波NCO输入的频率控制字,从而利用载波NCO的正、余弦映射功能产生出具有规定参数的时变多普勒信号.时变多普勒频率合成器的设计原理框图如图2所示.设载波NCO中累加器的位数为

Δt=N,NCO时钟频率为fclk,延时器的延迟时间

式中:AP,AC和BP分别表示信号幅度;P和C分

别表示P(Y)码和C/A码;D为数据位;fIF1和fIF2是L1和L2信号的中频;Φ0是发射信号的初始相位;fd1(t)和fd2(t)分别表示高动态运动在L1和L2载频上引起的时变多普勒频率过程,可将它们统一表示为fd(t)=f0+f1t+(f2/2)t2,其中:f0表示常数多普勒频率,对应于卫星和GPS接收机的相对运动速度,f1表示多普勒频率图2　时变多普勒频率合成器原理框图

的一阶变化率,对应于卫星和GPS接收机的相对运动加速度,f2表示多普勒频率的二阶变化率,对应于卫星和GPS接收机的相对运动加加速度.

可将高动态GPS数字中频信号模拟器设计成如图1所示的结构.从图1可见,与中低动态的情形[4]相比,高动态GPS数字中频信号模拟器设计的关键在于如何产生和精确控制模拟器中载波NCO输入的时变多普勒频率控制字(中低动态情况下通常只考虑常数频率控制字的设计),从而在载波NCO的输出端精确产生具有规定的高动态多普勒参数的载波信号.时变多普勒频率控制字的产生和相应的数字正、余弦信号的映射由提出的时变多普勒频率合成器来完成.

１／犳clk,Fcw0,Fcw1和Fcw2为载波NCO的频率字.图2中除数乘器系数K0,K1和K2以外,其他参数均为已知.系数K0,K1和K2正是时变多普勒频率合成器需要设计的参数.2.1　K0的设计及f0的合成

首先考虑常数多普勒频率f0的合成,此时需要设计参数K0.当时变多普勒频率合成器仅有参数f0输入时,载波NCO在单位时间内产生的信

θ=(int[Fcw0]/2N)2π=号相位增量[5,6]为Δ

)/2]2π,其中ε是经取整运算后被截[(Fcw0-ε

取掉的Fcw0的小数部分.由于NCO的输入只接受N位整数,因此取整运算在这里是必要的,在

后续的多普勒参数合成中也会对NCO的输入控制字进行同样的取整处理.由文献[5]的结论容易得到参数K0=2N/fclk.此时对频率f0的合成误差为

εfe=(/2)fclk.

(3)

2.2　K1的设计及f1的合成

这里考虑一阶多普勒频率变化率f1的合成,此时需要设计的参数是K1.当时变多普勒频率合成器仅有f1输入时,假设频率合成器从t0=0时

刻开始工作,那么NCO在任意两个相邻的采样

Δt和tn+1=(n+1)Δt(n=1,2,…)输时刻tn=n

图1　高动态GPS数字中频信号模拟器原理框图

θ出信号的瞬时相位增量分别为Δn=[(nFcw1-NN

ηπ;Δθπ,n)/2]2n+1={[(n+1)Fcw1-ηn+1]/2}2其中ηn和ηn+1是经取整运算后被截取掉的nFcw1和(n+1)Fcw1的小数部分.那么频率合成器在tn和tn+1时刻输出信号的瞬时频率就是瞬时相位增

θθ量Δn和Δn+1对时间的微分:

2　时变多普勒频率合成器的设计

时变多普勒频率合成器设计的主要思想是以

第12期　　向　洋等:高动态GPS中频信号模拟器的关键技术研究　　　・11・

fout,n=(nFcw1-ηn)/(2Δt);N

fout,n+1=[(n+1)Fcw1-ηn+1]/(2Δt).

　　于是可以进一步确定tn+1时刻输出信号频率的瞬时一阶变化率

′2Nfout,n+1=[Fcw1+(ηn-ηn+1)fclk]/2.　　那么该频率合成器输出信号频率的一阶变化率就是当n趋于无穷大时f′out,n+1的数学期望′2Nfout={Fcw1+E[lim(ηn-ηn+1)]fclk}/2.

n→∞

各高动态多普勒参数的合成结果分别如图

3～5所示,各图中的子图(a)和(b)分别为时变多普勒频率合成器输出信号的时域波形和幅度2频

(4)

对一阶频率变化率f0的合成误差为

′2Nfe=E[lim(ηn-ηn+1)]fclk/2.

n→∞

(5)

N2′

于是式(4)可以改写为f′out=(Fcw1/2)fclk+fe,

将f′out=f1和Fcw1=K1f1代入上式得到K1=2N/f2clk.

2.3　K2的设计及f2的合成

此时仍然假设频率合成器从t0=0时刻开始工作,那么NCO在任意3个相邻的采样时刻)输出信号的瞬时相位tn-1,tn和tn+1(n=2,3,…增量分别为

(n-1)nFcw2Δθπ2N;-ξn-12n-1=

n(n+1)Fcw2Δθπ2N;-ξn2n=

(n+1)(n+2)Fcw2Δθπ2N,-ξn+12n+1=

ξ式中ξn-1,n和ξn+1分别是对应前项被截取的小

数部分.利用类似于前面的演绎方法,可将K2设计为K2=2N/f3clk,此时对二阶频率变化率f2的合成误差可表示为

″3N

ξfe=E[lim(-ξn-1+2n-ξn+1)]fclk/2.(6)

n→∞

图3　参数f0的合成结果

图4　参数f1的合成结果

3　实验

设需要合成的高动态GPS信号的多普勒频率参数为:f0=2000Hz,f1=2500Hz/s,f2=5000Hz/s2,它们分别约相当于400m/s的速

度、50g的加速度和100g/s的加加速度在L1载

频上引起的动态参数,这些参数均根据实际应用环境中的高动态指标来设定[7].选取时变多普勒频率合成器的NCO位数N=32,时钟频率fclk=10MHz,ROM的地址线宽度Y=14dB,ROM的

幅度量化宽度X=12,由此可以计算时变多普勒频率合成器输出信号的频率精度为Δf=0.002Hz,无杂散动态范围(spuriousfreedynamicrange,SFDR)为[8,9]84dB,输出信号功率与ROM量化噪声功率之比为[9,10]86dB.

图5　参数f2的合成结果

率特性.表1中列出了由式(3),(5)和(6)计算出

的各参数的合成误差.实验结果充分表明了时变多普勒频率合成器理论的正确性和设计方案的可行性.

・12・　　华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版)

表1　高动态多普勒参数的合成误差

　第37卷

设计参数

f0=2000Hzf1=2500Hz/sf2=5000Hz/s2

合成误差

fe=1.2×10-3Hzf′10-2Hz/se=4.5×

f″e=1.3Hz/s

相对误差

fe/f0=6.0×10-7f′10-5e/f1=1.8×f″10-4e/f2=2.6×参考文献

[7]VilnrotterVA,HinediS,KumarR.Frequencyesti2

mationtechniquesforhighdynamictrajectories[J].IEEETransAerospaceandElectronicSystems,1989,25(4):5592577.

[8]NicholasHT,SamuelH.Ananalysisoftheoutput

spectrumofdigitalfrequencysynthesizersinthepres2enceofphase2accumulatortruncation[C]∥Proceed2ingsof41stIEEEInternationalAnnualSymposiumonFrequencyControl.Pennsylvania:IEEE,1987:4952502.

[9]KroupaVK.Discretespurioussignalsandback2

groundnoiseindirectfrequencysynthesizers[C]∥Proceedingsof47thIEEEInternationalFrequencyControlSymposium.SaltLakeCity:IEEE,1993:2422250.

[10]MehrgardtS.Noisespectraofdigitalsine2genera2

torsusingthetable2lookupmethod[J].IEEETransAcoustics,SpeechandSignalProcessing,1983,31(4):103721039.

[1]常　青,张伯川.高动态GPS信号模拟器信号强度问

题研究[J].电子与信息学报,2007,29(4):9982

1001.

[2]贾科军,柯熙政.高动态GPS卫星信号模拟器设计

与实现[J].宇航计测技术,2006,26(5):126.

[3]赵军祥,张其善.高动态GPS卫星信号模拟器关键

技术分析及应用[J].电讯技术,2003,49(4):492

54.

[4]胡修林,杨志专,张蕴玉.数字中频GPS信号软件模

拟器设计[J].电讯技术,2007,47(1):1082111.

[5]TineryJ,RaderC,GoldB.Adigitalfrequencysyn2thesizer[J].IEEETransAudioandElectroacoustics,1971,19(1):48257.

[6]LakshmiS,MalinkyG,FaFosterD.AnovelDDS

usingnonlinearROMaddressingwithimprovedcom2pressionratioandquantizationnoise[J].IEEETransUltrasonic,FerroelectricsandFrequencyControl,2006,53(2):2742283.

《华中科技大学学报(自然科学版)》荣获

全国高校科技期刊优秀编辑质量奖

　　11月20日中国高等学校自然科学学报研究会公布了“全国高校科技期刊优秀编辑质量奖”“全国高校科技期刊优秀编辑工作者”、和“全国高校科技期刊优秀编辑学论著”获奖结果《.华中科技大学学报(自然科学版)》荣获2009年全国高校科技期刊优秀编辑质量奖;陈训杰同志获优秀编辑工作者称号;王昕和骆瑾同志的论文分获优秀编辑学论著一、二等奖.

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文