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基于DSP和FPGA的卫星信号模拟器设计与实现

  江灿辉1,2,孙希延1,2,严素清1,2,纪元法1,2

  (1.桂林电子科技大学 信息与通信学院,广西 桂林541004;2.广西精密导航技术与应用重点实验室,广西 桂林541004)

  摘  要: 为给卫星导航接收机的测试提供高稳定度、高精度、可复现的卫星信号,设计了一款卫星信号模拟器。该系统以DSP+FPGA作为核心芯片,并集成了射频上变频电路、高速D/A转换电路、Flash芯片和SDRAM芯片。系统可以实现GPS L1信号和BDS B1I、B2I、B3双模多频点卫星信号的模拟。利用商业接收机对硬件平台生成的卫星导航信号进行测试,定位结果验证了卫星信号模拟器设计的正确性,表明该系统达到了预期设计要求。

  关键词: GPS;BDS;卫星信号模拟器;FPGA;DSP

0 引言

  随着我国北斗卫星导航系统的建立和发展,卫星导航在我国得到广泛应用。卫星导航系统已经成为一个国家国防力量的重要体现,卫星导航技术发展趋势也由单一GPS技术向多系统兼容、互操作方向发展。将BDS和GPS组合起来,可以增加接收机的观测量,提高导航定位的精度和服务质量。卫星信号模拟器可以精确生成和复现不同条件下接收机射频前端接收到的卫星信号,为导航接收机的设计和研发提供可靠、准确和易用的测试环境,从而提高接收机的研发效率,减少研发测试费用[1]。在军事领域,接收机被安装在飞机、导弹和火箭等高动态载体上,需要借助卫星信号模拟器进行测试。

1 系统总体架构

  本文所设计的卫星信号模拟器主要由DSP信息处理模块、FPGA信号生成模块、D/A转换模块、射频上变频模块、Flash、SDRAM等模块组成。系统总体架构如图1所示。

图像 001.png

图1  系统总体架构图

  DSP信息处理模块主要实现卫星导航算法。FPGA信号生成模块主要实现数字中频信号合成,FPGA通过DSP的外部存储器接口(EMIF)与DSP相连,FPGA作为DSP外接的异步存储器与DSP进行数据交互。D/A转换模块将FPGA输出的数字中频信号转换为模拟中频信号,本设计有3路D/A转换模块,一路D/A生成GPS L1和BDS B1I频点的模拟中频信号,另外2路D/A分别输出BDS B2I和BDS B3频点的模拟中频信号。3路射频上变频电路分别将D/A输出的模拟中频信号上变频至对应频点的射频信号。Flash芯片用于存储DSP引导装载所需的代码和系统初始化时所需参数。SDRAM用于存储DSP程序中占用空间大且使用频率低的变量和数组。

2 硬件电路设计

  2.1 D/A转换模块电路设计

  为了将生成的BDS、GPS多频点数字中频信号转换为模拟信号,需要多路D/A转换电路来完成。本系统选用AD9742实现中频信号的数模转换。AD9742是ADI公司的一款低功耗、高性能、量化精度为12 bit的D/A转换芯片,其最高采样速率可达165 MS/s。本系统采用3片AD9742实现GPS L1和BDS B1、B2、B3频点中频信号的数模转换,其中GPS L1和BDS B1I信号从一路DA输出。本系统GPS L1和BDS B1、B2、B3信号的中频频率分别为20.42 MHz、6.098 MHz、7.140 MHz和18.520 MHz。D/A转换模块电路示意图如图2所示。

图像 002.png

图2  D/A转换模块电路示意图

  2.2 射频上变频模块电路设计

  射频上变频模块是系统的重要组成部分,上变频模块主要实现信号调制、上变频、功率放大、功率调节等功能。本文选用ADRF6755作为上变频模块。ADRF6755集成正交调制器、频率合成器和可编程衰减器,输出信号频率范围为100 MHz~2 400 MHz,满足本设计输出信号频率的要求。ADRF6755片内集成有一个数字控制输出衰减器,功率调节范围为47 dB,步进为1 dB。本设计中信号采用差分方式从I路输入;通过SPI接口对片内寄存器进行设置,可以实现不同频率的信号输出。GPS L1和BDS B1、B2、B3信号的射频频率分别为1 575.42 MHz、

  1 561.098 MHz、1 207.140 MHz和1 268.520 MHz,对应本振频率分别为1 555 MHz、1 555 MHz、1 200 MHz和1 250 MHz。本设计的上变频模块电路示意图如图3所示。

图像 003.png

图3  上变频模块电路示意图

  2.3 DSP与FPGA接口设计

  DSP通过EMIF接口与FPGA进行通信,同时,将DSP的外部中断信号、多通道缓冲串行口(MCBSP0)信号与FPGA的I/O引脚相连,以实现DSP与FPGA之间的灵活控制及通信。DSP与FPGA电路连接示意图如图4所示。

图像 004.png

图4  DSP与FPGA电路连接示意图


(责任编辑:ioter)

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