基于Matlab的数字中频GPS信号生成模型

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 卷 第 期 信 号 处 理 年 月 基于 的数字中频 信号生成模型 ’ 赵的 张其善 寇艳红 北京航空航天大学信息与通信工程系 , 北京 摘 要 精确的 信号生成器是测试与评价先进 接收机设宝十的重要分析工具 。 本文在中频 信号理论模 型分析的基础上 , 用 实现了一种数字 信号生成模型 , 它能够在数字中频上产生 接收信号 , 其中包含仿真 的噪声和接收机时钟误差 。 与常规的 信号生成器 或模拟器 相比 , 这种模型 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 灵活 、 易于使用 , 此外 , 模型构 建涉及对 信号在接收机射频前端处理过程的仿真 , 从而为 接收机射频前端的设计提供了支持 。 关键词 信号生成 模型 , , 洲 , , , , , 一 一 , , 引言 近年来 , 技术应用成长迅速 。 在国际上 , 产 品制造商为开发出更为精确 、 可靠以及满足市场预期的 技术投入了大量资金 , 这种努力导致了市场和应用的膨胀 。 在开发这些市场以及支持它们的技术方面 , 民用接收机在接 收机设计上取得了令人注 目的进步 —更高的定位精度 , 以 及不断改进的鲁棒性和可靠性【’ 。 此外 , 计算机处理能力大 约每 个月成倍增长的形势继续推动了 数字处理技术 的改进与快速发展 。 相形之下 , 国内的自主知识产权 技术产品的研发仍比较薄弱 。 从民用 接收机 , 纵观嵌入式电子产品 , 由于市场 竞争日益激烈 , 新产品推向市场的压力不断增加 , 而缩短产 品设计周期可能遇到的最大障碍是算法研究与产品实现之 间的差距 。 领域正在倡导 “ 自上而下 ” 的设计方法 。 传统 “ 自下而上 ” 设计方法可能导致技术要求不明确以及无 力测试整个系统 , 设计上的缺陷也因此发现过迟 , 导致设计 失败的高风险和产品推向市场的延迟 。 “ 自上而下 ” 的设 计方法使新的设计及技术在产品研发的早期 , 即经受仿真 、 分析和性能评价 , 这一阶段的工作可由 一类的软件 仿真工具完成 , 尽管产品实现的具体细节仍有赖于 或 嵌入式软件工具 。 信号生成器 , 或称为 信号模拟器 , 用于为处 于设计阶段的 接收机提供仿真环境 。 常见的 信号 生成器产生的是射频信号 , 而 目前 接收机的设计重点 侧重于基带信号处理 , 为此本文中实现了一种数字中频 信号生成器 。 具体而言 , 采用 实现技术 , 构建一种 设计灵活 这一点对于满足用户定制要求所导致的变动以及 潜在的功能扩展 , 十分重要 、 易于使用 , 而精确的软件 生成器 , 它能够产生考虑了噪声影响和接收机时钟误差的数 收稿日期 年 月 日 修回日期 年 月 日 ‘ 国家自然科学基金 第 号 资助项 目 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 期 基于 的数字中频 信号生成模型 字中频 信号 。 由于基于 , 更确切地说 , 这是一 种 信号生成模型 , 它模拟经过下变频 、 滤波和采样的 接收机天线端接收到的 信号和噪声的频谱 。 整个模型 的构建方法是对接收到的 射频信号在接收机射频前端 处理过程所进行的仿真 , 从而本文中的模型也为 接收 机射频前端的设计或深入理解提供了支持 。 信号原理模型 乞践 尸丫 ⋯⋯万孙曰曰曰曰曰曰 挂收妇总体结构 协协协协协协协协协协协协协协 战战战战战战战战战战战游佑 号号号 导斑应诩诩诩射射射刊刊助前端端端 处理理理 处理理理 图 从卫星到接收机 信号的传播 待建模的数字中频 信号的理论依据基于以下分析 。 从 卫星到接收机的各主要模块 , 信号的传播模式 , 如图 所示 。 这里所指的数字中频信号是接收机射频前端的 输出 。 清晰起见 , 从理想 信号开始 。 时刻 时 , 第 颗卫星广播的 信号的解析表达式为 , 一 沂万台 ‘ 。 一挤袄 ‘ ‘ 。乙 其中 , 又 , 为第 颗卫星发射的 波段信号 只为发射信 号的功率 ‘ 为 伪随机噪声 扩频序列 , 即 码 码序列 , 为数据报文调制 切 为 载波频 率 为 系统时 其 为加密的 码扩频序列 。 天线端接收信号模型 式 解析地沿空气传播至接收机天线 , 先于天线或 接收机所引起的任何影响 , 在天线端受扰动的 接收信 号的一种近似解析表达式为 凡‘ 一 扣万台、 一气二 一 几 ‘ 一气 一 · 。。 田 ·、。 · 、￡一 卜 。 ‘ · 、誓 · , 、 卜 汤 一气 一 几 川 一瓦 一动 · 田 , ·、 , · ,一 卜气 · 、誓 · , 、 卜 其中 , , , , , 田 , , , 鱿 的定义与式 相 同 。 为接收到的发 自第 颗卫星 的信号 为接收 信号的功率 改口。。 为电离层扰动 口 二 为非随机 载波 频率误差 汽 , 为固定的 载波相位误差 耐 ’ 为频 率漂移或老化效应 叭 , 为随机相位误差 几 为信号传输 延迟 , 其表达式 , 见式 为噪声 为接收到 的反射信号 多路效应 。 。 ‘ 。 。 咋。、 其中 , 为卫星与接收机天线相位中心之间的真实距离 为光速 , 为卫星钟误差 么 为对流层扰动 为 选择可用性误差 咋 。。 为卫星星历误差 为多路 信号延迟 。 由于针对 从 码 接收机的设计 , 码的相关量被 忽略 只考虑对于接收机信号跟踪有可测影响的误差以及接 收机的设计差异所严重影响的误差 , 由此多数误差源可以被 忽略 。 简化后的天线端接收信号模型 , 由式 和 给 出 ‘ 拒万 , 一 几 。 一 几 伽 一 几 。 几 其中 , 在这里被视为加性高斯白噪声 。 这个信号模型中将包含一项 显著误差源 , 即接收机的时 钟偏差 。 为了表述这一误差 , 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 如下变量 为 系统时 理想的时间尺度 不为系统信号发射时间 为 系统信号接收时间 几 一 双 , 即信号传输延迟 为 接收机时钟相对于系统时的提前量 , 即接收机时钟偏差 二 十 改 , 即接收机时钟时 。 由此 , 式 进一步表示 为 , 一拒万匕, , 一 一 几 。 , , 一 一 几 仙 , , 一 一 了 接收机射频前端输出信号模型 射频前端 原理 上述接收信号抵达接收机射频前端 。 考虑到对射频前端 的信号处理进行仿真 , 本文中以 芯片 为原型 , 其原理结构参见文献 。 的主要构成为 锁相环 频率合成器 、 混频器 、 自动增益控制 和 月〕转换 器 。 其原理简要描述如下 对于天线端接收到的 射频信号 , 采用 级下变频将其转换为 的中频信号 , 经过 中心频率的片上滤波器 , 再以 采样频率 欠 采样这个中频信号 , 最终的中频 即采样后中频 降至 。 最后 , 经过 控制的 量化处理 , 形成 位 符号位和幅值位 数字输出 , 即 一 , 一 , 或 。 信号模型推导 天线端接收信号通过射频前端的分级下变频 , 传播至采 样前的中频 , 有关这一过程描述如下【’」。 注意 信号及噪声 的幅值 、 扩频和数据调制由于在下变频过程中保持不变 , 在 描述中被省略 。 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 信 号 处 理 第 卷 从本地振荡器频率合成的第 级输出 乙口 开始 , 根 据接收机时间 , 其表达式为 一 。妈 接收信号通过余弦混频完成下变频 , 表示为式 和 的乘积 。 应用三角函数展开 , 得到式 田 , 一 份 一几 一 田玛 , 山 一 反 一 乙 田妈 滤波器去除由混频过程产生的高频分量 , 得到式 。 , 一 。琦 一 田 分别对本地振荡器频率合成的第 、 级输出重复这一 过程 , 得到式 和 。 , 一 仍 一 口姚 一 。 。乙 一玛 一 仍姚 一 毋妈 一 即为采样前的中频 , 由于 山 。 一 田 一 田 一 。 , , 则式 可表示为 田帆 一 山 振荡器误差引入 建模所需考虑的硬件影响主要是振荡器误差 。 多数接收 机中使用的晶体振荡器易受动态环境中大频率变化量的影 响 , 而振荡器误差对于连贯的信号跟踪将产生显著影响 。 振荡器的输出频率可表示为标称频率分量 与误差 分量 好 之和 。 其中的频率误差代表振荡器误差的累计 效应 , 而不用以描述误差源的确切特性 , 包括压力和温度感 应误差 、 随机频率漂移以及相位噪声 。 从 的角度 , 在这些误差中 , 压力和温度感应误差可以不计 , 对于采样 信号 相位噪声的影响也可以忽略 。 从而 , 只考虑频率漂 移 。 随机频率漂移将反映为接收机时钟 频率 漂移 , 而时 钟偏差是这种漂移量的积分 。 在实现中 , 这将取决于用户定 义的时间段 。 时钟漂移将被建模为受限的随机游走 , 用 方差描述以确定游走量 。 有关生成 方差参数的方程 , 参见文献 。 振荡器误差的净效应取决于接收频率的总迁移量 , 而与 下变频的级数无关 。 将振荡器误差效应并入式 , 并补 上数据调制 、 码调制 、 噪声和幅值项 , 各项均以接收机时间 表达 , 得出采样点上完整的信号模型 。。 一 不灭七‘ , 一几 一 。‘ , 一几 一 上生成的采样时间向量 。 时钟偏差和漂移量在同一采样频率 上同时生成 , 并在采样信号中合并为接收机时钟误差 。 软件设计与实现 基于前述的信号模型分析 , 设计数字中频 信号生 成模型的软件 , 其总体结构 , 如图 。 软件开发平台采用 珑 。 万万万万万万万万万万万万振振振振 噪声序列生成成 喻喻喻喻喻喻喻喻喻喻喻 理理理理理理理理理理理理州州州州州州州州州州州州 时钟误差生成成采采采采样信号生成成成成成成成成成成成 中中中中中中中中中中中中频信号尹 成成嫩嫩嫩嫩化器器器器 图 软件总体结构 。。 “。 一爷、 · 才 一 · , 卜 。 , , ‘” , 其中 , 。巩 为采样前的中频频率 颐 为归一化的振荡器 频率误差 扬 为 射频至最终中频 , 总的频率迁移量 为滤波后的高斯噪声 。 在实现中 , 式 中的接收机时间为在固定采样频率 总体设计思想是仿真 接收机射频前端 在这里 , 即 的信号处理过程 。 本质上 , 射频前端包括两大 功能模块 下变频及滤波 , 采样及 。 采样点上的中频 信号是信号合成的结果 , 根据前述的理论模型 , 信号的构成 为经过下变频及滤波的天线端接收信号 , 其中包含接收机时 钟误差 , 以及滤波后的高斯噪声序列 。 采样后的信号 可直 接输出 经过量化处理 被 包含 , 形成 位数字输出 。 以下通过介绍主要软件模块 , 进一步阐述设计方法 , 但 有关软件实现的技术或技巧方面的描述被省略 。 控制参数定义 在这个模块中定义了多数参与控制的全局变量 , 包括 常数 , 作为仿真原型的 硬件参数 , 以及仿真控 制和各种模式切换的参数 。 常 数 全 局 变 量 中 , 定 义 了如 载 波频 率 , 尹 码的基码速率 , 全部 卫星的 码 码序列以及光速等 , 与 信号构成有 关的参数 。 硬件参数全局变量中 , 定义了如采样频率 , 采样前中频 , 采样后中频以及振荡器频率误差 导致接收机 时钟误差 的参数等 , 与 仿真有关的参数 。 仿真控制全局变量中 , 定义了如仿真时间段 , 卫星标识 码向量 , 信噪比以及噪声采样率的系数等 , 与仿真设计有关 的参数 。 模式切换控制参数的主要设计 目的是使用户可以获得 建模过程中各步骤的中间结果 , 便于比较 、 观察 , 如噪声影 响 , 时钟误差影响 , 滤波效果等 。 信号传物延迟生成 这个模块的用户输入是 坐标下卫星轨迹矩阵 包 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 期 基于 的数字中频 信号生成模型 括 系统时 , 以及 坐标下接收机轨迹矩阵 包括 系统时 。 根据用户输入 , 它能够在输入轨迹上的每一 时刻为每个 信号导出相应的 视距 距离 , 进而 得到信号传输延迟 。 使用插值法 次样条数据内插 , 推 出对应于采样时间离散点的信号传输延迟 , 即式 中的 几 。 采样信号生成 这个模块实现信号合成 , 主要包含两个信号合成过程 , 其一是对采样点上包含时钟误差的 中频信号的合成 其二是在此基础上叠加高斯噪声信号 。 关于数字中频 信号的合成 , 参照式 , 其基本 步骤是导航数据生成 、 载波生成 、 码扩频调制和数据调 制 。 对于载波生成 , 载波频率中包含前述的时钟误差效应 。 注意 这里产生的 中频信号己经根据采样时间间隔被 离散化 。 关于噪声信号生成 , 首先产生高斯噪声序列 , 考虑到分 辨率问题 , 数字噪声信号以几倍 这里取为 倍 于采样频 率的频率生成 , 设计椭圆滤波器 具有下降斜度大的特点 对其进行 州任仕 中心频率的带通滤波 , 获得滤波后的噪 声信号 。 最后 , 根据采样频率对这个噪声信号进行 “ 采样 ” , 以便叠加到前一步合成的数字中频 信号上 。 在此之前 , 同样需要设计带通滤波器 , 以滤波己经采样离散化的中频信 号 。 化 迭代地确定量化闽值 , 以满足符合高斯分布的量化统计 目 标 作为数字输出的 , 一 各占总量的 巧 , , 一 各占 总量的 。 图 量化后数字输出的数值分布 仿真结果 本节给出上一节描述的数字中频 信号生成模型的 一些中间的和最后结果 。 首先需要定义用户输入 , 示范说明 起见 , 在这里输入的设置只考虑了来自一颗 卫星的信 这个模块是接收机射频前端信号处理的最后一步 , 将对 前面生成的采样信号进行量化 。 它仿真 的控制功能 , 下转第 页 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 信 号 处 理 第 卷 的算法中 , 对噪声的大小不受限制 。 对大噪声信号的去噪信 号的细节减少较大 。 对含细节较丰富的信号 即信号随着尺 度变化 , 信号小波模值减少量大于噪声小波模极大值的减少 量 。 运用本文所介绍的去噪算法对其进行去噪处理 , 去噪后 信号的细节保留较少 , 因此对这类信号的去噪处理效果不理 想 。 参考文献 解 , , 一 , , 〔 , 研阳 , , 一 以川 , , 即 口」 户沈 ” 一 , 肠 允 旧 沈 优 一 刘海宾 、 吴镇扬 、 赵力等 , 非平稳环境下基于人耳听 觉掩蔽特性的语音增强 , 信号处理 , 一 , 坦 一 卿 田 , 一 汕 们口 刀 刃。 竹叻 朗 伙 叨 以 陈武凡 小波分析及其在图像处理中的应用【 , 北京 科学出版社 , 张贤达 现代信号处理【 北京 清华大学出版社 , 。 张贤达 、 保铮 非平稳信号分析与处理附 北京 国防 工业出版社 , 。 刘晓石 , 陈鸿建 , 何腊梅 概率论与数理统计附 , 北 京 科学出版社 , 。 作者简介 何坤 一 , 博士研究生 。 主要研究方向为数字图像 处理 、 生物特征识别等 。 上接第 页 号 , 接收机的轨迹也是静止的 。 仿真时段 决定信号处理量 设为 秒 , 如果不考虑生成时钟误差 这一步相对耗时 , 在 犯 主频兼容机上 , 整个信号生成过程的平 均开销约为 秒 。 图 和图 分别为在采样信号生成模块中产生的噪声信 号 , 以及对它进行滤波后的结果 , 以估计的功率谱密度描述 。 图 和图 分别为在采样信号生成模块中产生的 信号 , 以及对它进行滤波后的结果 , 以估计的功率谱密度描述 。 图 为叠加噪声后 , 未量化的采样数字中频 信号 , 其中包 含时钟误差 。 图 为量化模块输出的 位数字信号数值分布的柱状 图 。 图中 , 一 信号占当前输出信号总量的 , 一 信号 占 , 信号占 , 信号占 。 结论 户而言 , 易用性好 , 同时也为功能定制 、 扩展和升级提供了 易操作的平台。 参考文献 在信号模型理论分析的基础上 , 本文实现了一种基于 的数字中频 信号生成模型 。 这个模型可以成为 独立测试与评价 码 接收机 特别是基带信号处理 部分 设计的关键组件 。 作为一种软件 信号生成器 , 它的实现代价无疑是低廉的 。 基于 的实现 , 对于用 , ’ ‘ 别 义 探矽工作室 , 嵌入式系统开发圣经 , 中国青年出版社 , 褚振勇 翁木云 , 七 设计及应用 , 西安电子科技大 学出版社 , 叮 , , , 兀 】 , 节厄 扯 , 盯 而 , 、乞 , 凡