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L频段上行注入发射信号生成装置

阅读:1030发布:2020-05-29

专利汇可以提供L频段上行注入发射信号生成装置专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了L频段上行注入发射 信号 生成装置,涉及卫星 导航系统 。它主要由监控计算机、网络传输模 块 、DSP处理器、FPGA、D/A转换模块、射频调 制模 块和 滤波器 组成。本发明主要采用FPGA+DSP嵌入式程序模块形式实现高速数字宽带信号实时运算与输出,通过高速D/A转换设置输出模拟差分 正交 信号,射频调制模块进行直接正交上变频,并采用数控方式设置射频输出频点,灵活性高,再经过滤波器可以输出高 质量 射频信号 ;本发明具有 硬件 结构简单、集成度高、通用性好、灵活度高和程序可扩展性等优点,在北斗 卫星导航系统 中广泛应用和验证,特别适用于卫星导航系统中的宽带、高 精度 L频段上行注入发射信号生成设备。,下面是L频段上行注入发射信号生成装置专利的具体信息内容。

1.L频段上行注入发射信号生成装置,包括监控计算机、网络传输模、DSP处理器、FPGA、D/A转换模块、射频调制模块和滤波器,FPGA输出复位信号至DSP处理器,其特征在于,所述的FPGA包括数据管理模块、电文存储模块、扩频码生成模块、控制字存储模块、时频信号产生模块、电文编码和校验模块、扩频调制模块、数字控制振荡器正交调制模块和信号切换模块;
监控计算机用于产生多种指令,将各指令通过网络传输模块和数据管理模块输出至DSP处理器;监控计算机还用于接收DSP处理器通过数据管理模块和网络传输模块发送来的状态信息;所述的多种指令包括控制信号生成格式、调制信息、建链目标、调制带宽、调制方式、动态时延、输出状态和功率大小的指令;
网络传输模块用于将监控计算机输出的各指令根据网络UDP传输协议输出至数据管理模块;还用于将数据管理模块输出的状态信息输出至监控计算机;
数据管理模块用于将收到的各指令进行数据收发判别管理并通过外部存储器接口输出至DSP处理器;还用于将DSP处理器输出的状态信息输出至网络传输模块;还用于接收信号切换模块、D/A转换模块、时频信号产生模块和射频调制模块分别输出的状态信息;
DSP处理器用于将控制信号调制信息、建链目标、调制带宽、调制方式和动态时延的指令进行解析对应生成I、Q两支路电文信息、时间信息、卫星ID、扩频码时钟控制字、载波控制字以及时频基准使能信号,将I、Q两支路电文信息通过数据管理模块输出至电文存储模块进行存储,将时间信息和卫星ID通过数据管理模块输出至扩频码生成模块,将扩频码时钟控制字和载波控制字通过数据管理模块输出至控制字存储模块进行存储,将时频基准使能信号通过数据管理模块输出至时频信号产生模块;DSP处理器还用于获取状态信息并通过数据管理模块和网络传输模块发送至监控计算机;所述的状态信息包括时频信号产生模块的工作状态、信号切换模块的输出、D/A转换模块的工作状态和射频调制模块的输出;
电文存储模块用于将输入的I、Q两支路电文信息分别存入各自的RAM存储空间,并在
1PPS基准信号和电文时钟信号的驱动下输出至电文编码和校验模块;
扩频码生成模块用于根据输入的卫星ID和时间信息,控制周期性扩频码生成多项式和无周期非线性精密码模块在1PPS基准信号和扩频码时钟的驱动下分别生成I、Q两支路扩频码信息并输出至扩频调制模块;
控制字存储模块用于将输入扩频码时钟控制字和载波控制字分别存入各自的RAM存储空间并在控制字读取时钟信号和1PPS基准信号的驱动下分别输出至数字控制振荡器;
时频信号产生模块用于将输入的扩频码时钟、时频基准使能信号以及参考时钟10MHz和1PPS通过时频同步以及频率相环进行倍频和分频处理后产生控制字读取时钟信号、
1PPS基准信号、电文时钟信号和系统工作时钟,将控制字读取时钟信号输出至控制字存储模块,将1PPS基准信号输出至电文存储模块、扩频码生成模块、控制字存储模块、电文编码和校验模块和数字控制振荡器,将电文时钟信号输出至电文存储模块和电文编码和校验模块,将系统工作时钟输出至数字控制振荡器、正交调制模块和D/A转换模块;
电文编码和校验模块用于将输入I、Q两支路电文信息在1PPS基准信号和电文时钟信号的驱动下完成信道编码和计算CRC校验,并输出I、Q两支路编码后的电文信息至扩频调制模块;
扩频调制模块用于将输入的I、Q两支路扩频码信息和I、Q两支路编码后的电文信息在扩频码时钟的驱动下进行数字扩频运算得到I、Q两支路扩频信号,并输出至正交调制模块;
数字控制振荡器用于将输入的扩频码时钟控制字、系统工作时钟和1PPS基准信号在直接数字式频率合成器作用下生成扩频码时钟并输出至扩频调制模块、扩频码生成模块和时频信号产生模块,载波控制字、系统工作时钟和1PPS基准信号在直接数字式频率合成器作用下生成正弦载波和余弦载波并分别输出至正交调制模块;
正交调制模块用于将输入的I、Q两支路扩频信号、正弦载波和余弦载波在系统工作时钟的驱动下进行数字调制得到北斗卫星一期体制信号和全球体制信号后,将北斗卫星一期体制信号和全球体制信号分别输出至信号切换模块;
信号切换模块用于将输入的北斗卫星一期体制信号和全球体制信号进行切换选择,并输出其中一种体制信号至D/A转换模块;还用于将自身状态信息输出至数据管理模块;
D/A转换模块用于在系统工作时钟的驱动下将输入的北斗体制信号转换成模拟差分正交信号后,将模拟差分正交信号输出至射频调制模块;还用于将自身状态信息输出到数据管理模块;
射频调制模块用于将输入的模拟差分正交信号在参考时钟10MHz信号作用下进行正交调制、上变频得到上变频信号后,输出上变频信号至滤波器;还用于将自身状态信息输出到数据管理模块;
滤波器用于滤除上变频信号的干扰信号得到射频信号
2.根据权利要求1所述的L频段上行注入发射信号生成装置,其特征在于:所述DSP处理器包括数据收发模块、电文处理模块、控制字计算模块、信号控制模块和设备状态监测模块;
数据收发模块用于根据数据接口协议接收数据管理模块输出的各指令,将收到的控制信号生成格式和调制信息指令输出至电文处理模块,将调制带宽和动态时延指令输出至控制字计算模块,将建链目标、调制方式、输出状态和功率大小指令输出至信号控制模块;还用于接收设备状态监测模块输出状态信息和数据管理模块输出状态信息,按照数据接口协议整合后发送状态信息至数据管理模块;
电文处理模块用于将输入的控制信号生成格式和调制信息指令按照信息结构规范、信息类别编排格式、信息定义以及信息注入和处理策略完成内容的编排和实时更新,获得I、Q两支路电文信息并分别输出至数据管理模块;
控制字计算模块用于根据输入的调制带宽和动态时延指令实时计算多普勒频率偏移得到扩频码时钟控制字和载波控制字,并分别输出至数据管理模块;
信号控制模块用于将输入的建链目标、调制方式、输出状态和功率大小指令进行解析完成信号控制,并输出至数据管理模块;
设备状态监测模块用于将输入的状态信息输出至数据收发模块。
3.根据权利要求1或2所述的L频段上行注入发射信号生成装置,其特征在于:电文编码和校验模块采用Turbo编码、LDPC编码和CRC校验生成多项式进行编码和校验。
4.根据权利要求1或2所述的L频段上行注入发射信号生成装置,其特征在于:扩频调制模块采用二进制模二加数字运算进行扩频调制。
5.根据权利要求1或2所述的L频段上行注入发射信号生成装置,其特征在于:正交调制模块采用二进制相移键控和正交相移键控进行正交调制。

说明书全文

L频段上行注入发射信号生成装置

技术领域

[0001] 本发明涉及卫星导航领域中一种宽带信号生成装置,特别适用于北斗卫星导航系统中高精度L频段上行注入发射信号的实时产生。

背景技术

[0002] 导航系统中L频段上行注入发射信号主要向卫星注入导航电文和管理数据,利用上行注入发射信号完成星地间精密测距和引导卫星平台时间,为卫星导航服务和平台管理以及卫星定轨提供保障,同时确保卫星平台的时间系统稳定可靠。北斗全球卫星导航系统对上行注入的数传可靠性、测距精度、时间引导功能、安全性和抗干扰能等都提出了更高的性能要求,结合我国技术平和系统环境,提出合理、高效、先进、可行的L频段上行注入发射信号设计方案显得尤为重要。
[0003] 随着卫星技术应用的发展,对导航接收机的精度要求越来越高,因此,对导航信号发射装置的要求也越来越高,不仅需要产生类似于卫星的导航信号,还要求能够模拟卫星的相对运动以及多径效应产生的误差,产生高精度的动态信号,来检验导航接收机的动态捕获跟踪性能和精度,传统的方法是使用DDS集成芯片,通过给定的仿真数据来计算多普勒偏移,按照一定间隔来更新外置DDS的频率控制字和相位控制字,调整精度受限于DDS集成芯片的参数,并且可能会造成调整时刻频率的不连续,跳跃较大,占用硬件板卡面积也较大。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于根据上述背景技术中对上行注入发射信号高性能指标要求和克服传统方法采用DDS集成芯片实现模拟卫星多普勒运动的不足而提供一种低复杂度的L频段上行注入发射信号生成装置。本发明具有足够的通用性、灵活性和一定的扩展性,硬件结构简单易于实现。
[0005] 本发明的目的是这样实现的:L频段上行注入发射信号生成装置,包括监控计算机、网络传输模、DSP处理器、FPGA、D/A转换模块、射频调制模块和滤波器,FPGA输出复位信号至DSP处理器,所述的FPGA包括数据管理模块、电文存储模块、扩频码生成模块、控制字存储模块、时频信号产生模块、电文编码和校验模块、扩频调制模块、数字控制振荡器正交调制模块和信号切换模块;
[0006] 监控计算机用于产生多种指令,将各指令通过网络传输模块和数据管理模块输出至DSP处理器;监控计算机还用于接收DSP处理器通过数据管理模块和网络传输模块发送来的状态信息;所述的多种指令包括控制信号生成格式、调制信息、建链目标、调制带宽、调制方式、动态时延、输出状态和功率大小的指令;
[0007] 网络传输模块用于将监控计算机输出的各指令根据网络UDP传输协议输出至数据管理模块;还用于将数据管理模块输出的状态信息输出至监控计算机;
[0008] 数据管理模块用于将收到的各指令进行数据收发判别管理并通过外部存储器接口输出至DSP处理器;还用于将DSP处理器输出的状态信息输出至网络传输模块;还用于接收信号切换模块、D/A转换模块、时频信号产生模块和射频调制模块分别输出的状态信息;
[0009] DSP处理器用于将控制信号调制信息、建链目标、调制带宽、调制方式和动态时延的指令进行解析对应生成I、Q两支路电文信息、时间信息、卫星ID、扩频码时钟控制字、载波控制字以及时频基准使能信号,将I、Q两支路电文信息通过数据管理模块输出至电文存储模块进行存储,将时间信息和卫星ID通过数据管理模块输出至扩频码生成模块,将扩频码时钟控制字和载波控制字通过数据管理模块输出至控制字存储模块进行存储,将时频基准使能信号通过数据管理模块输出至时频信号产生模块;DSP处理器还用于获取状态信息并通过数据管理模块和网络传输模块发送至监控计算机;所述的状态信息包括时频信号产生模块的工作状态、信号切换模块的输出、D/A转换模块的工作状态和射频调制模块的输出;
[0010] 电文存储模块用于将输入的I、Q两支路电文信息分别存入各自的RAM存储空间,并在1PPS基准信号和电文时钟信号的驱动下输出至电文编码和校验模块;
[0011] 扩频码生成模块用于根据输入的卫星ID和时间信息,控制周期性扩频码生成多项式和无周期非线性精密码模块在1PPS基准信号和扩频码时钟的驱动下分别生成I、Q两支路扩频码信息并输出至扩频调制模块;
[0012] 控制字存储模块用于将输入扩频码时钟控制字和载波控制字分别存入各自的RAM存储空间并在控制字读取时钟信号和1PPS基准信号的驱动下分别输出至数字控制振荡器;
[0013] 时频信号产生模块用于将输入的扩频码时钟、时频基准使能信号以及参考时钟10MHz和1PPS通过时频同步以及频率相环进行倍频和分频处理后产生控制字读取时钟信号、1PPS基准信号、电文时钟信号和系统工作时钟,将控制字读取时钟信号输出至控制字存储模块,将1PPS基准信号输出至电文存储模块、扩频码生成模块、控制字存储模块、电文编码和校验模块和数字控制振荡器,将电文时钟信号输出至电文存储模块和电文编码和校验模块,将系统工作时钟输出至数字控制振荡器、正交调制模块和D/A转换模块;
[0014] 电文编码和校验模块用于将输入I、Q两支路电文信息在1PPS基准信号和电文时钟信号的驱动下完成信道编码和计算CRC校验,并输出I、Q两支路编码后的电文信息至扩频调制模块;
[0015] 扩频调制模块用于将输入的I、Q两支路扩频码信息和I、Q两支路编码后的电文信息在扩频码时钟的驱动下进行数字扩频运算得到I、Q两支路扩频信号,并输出至正交调制模块;
[0016] 数字控制振荡器用于将输入的扩频码时钟控制字、系统工作时钟和1PPS基准信号在直接数字式频率合成器作用下生成扩频码时钟并输出至扩频调制模块、扩频码生成模块和时频信号产生模块,载波控制字、系统工作时钟和1PPS基准信号在直接数字式频率合成器作用下生成正弦载波和余弦载波并分别输出至正交调制模块;
[0017] 正交调制模块用于将输入的I、Q两支路扩频信号、正弦载波和余弦载波在系统工作时钟的驱动下进行数字调制得到北斗卫星一期体制信号和全球体制信号后,将北斗卫星一期体制信号和全球体制信号分别输出至信号切换模块;
[0018] 信号切换模块用于将输入的北斗卫星一期体制信号和全球体制信号进行切换选择,并输出其中一种体制信号至D/A转换模块;还用于将自身状态信息输出至数据管理模块;
[0019] D/A转换模块用于在系统工作时钟的驱动下将输入的北斗体制信号转换成模拟差分正交信号后,将模拟差分正交信号输出至射频调制模块;还用于将自身状态信息输出到数据管理模块;
[0020] 射频调制模块用于将输入的模拟差分正交信号在参考时钟10MHz信号作用下进行正交调制、上变频得到上变频信号后,输出上变频信号至滤波器;还用于将自身状态信息输出到数据管理模块;
[0021] 滤波器用于滤除上变频信号的干扰信号得到射频信号
[0022] 本发明采用FPGA+DSP嵌入式模块化程序形式实现信号生成,硬件结构简单易于实现、灵活性高且程序可扩展性强,为适应北斗卫星导航系统建设,能够产生两种信号体制格式共四个通道信号,能够模拟卫星真实运动状态下输出信号,动态范围速度±8000m/s,加速度±500m/s2,支持射频频率输出范围700~2700MHz,采用数字正交调制,有效的抑制了镜频分量的产生,避免了较大的杂散分量,信号输出功率采用数控精确衰减。
[0023] 本发明针对背景技术具有如下优点:
[0024] (1)本发明采用软件无线电架构,通过FPGA+DSP嵌入式模块化程序形式实现高速数字宽带信号实时运算处理,通过高性能数字器件和高速数模转换器实现信号转换和输出,兼容多种信号体制格式上行发射信号生成,具有良好的通用性。
[0025] (2)本发明中模拟卫星多普勒动态时延采用数字控制振荡器实现,使用FPGA片内资源,完成多级DDS调整,产生动态时钟,提高了效率,同时克服了传统方案采用DDS集成芯片调整精度受限,调整时刻的频率不连续、跳跃较大,占用硬件板卡面积大的缺点。
[0026] (3)本发明支持产生北斗导航两种信号体制格式共四个通道信号,能够模拟卫星真实运动状态下输出信号,速度范围±8000m/s,加速度范围±500m/s2,射频频率输出范围700~2700MHz,采用数字正交调制,有效的抑制了镜频分量的产生,避免了较大的杂散分量,信号输出功率采用数控精确衰减。
[0027] (4)在保证生成上行注入发射信号高性能指标的前提下,该信号生成装置复杂度低、程序可扩展、软硬件易实现、可靠且成本低廉。附图说明
[0028] 图1是本发明的控制信号生成装置模块化功能框图
[0029] 图2是本发明的DSP处理器完成数字计算与信号控制框图。

具体实施方式

[0030] 下面结合图1和图2对本发明做进一步的说明。
[0031] L频段上行注入发射信号生成装置,包括监控计算机、网络传输模块、DSP处理器、FPGA、D/A转换模块、射频调制模块和滤波器,FPGA输出复位信号至DSP处理器,FPGA包括数据管理模块、电文存储模块、扩频码生成模块、控制字存储模块、时频信号产生模块、电文编码和校验模块、扩频调制模块、数字控制振荡器、正交调制模块和信号切换模块;
[0032] 监控计算机用于产生多种指令,将各指令通过网络传输模块和数据管理模块输出至DSP处理器;监控计算机还用于接收DSP处理器通过数据管理模块和网络传输模块发送来的状态信息;所述的多种指令包括控制信号生成格式、调制信息、建链目标、调制带宽、调制方式、动态时延、输出状态和功率大小的指令;
[0033] 网络传输模块用于将监控计算机输出的各指令根据网络UDP传输协议输出至数据管理模块;还用于将数据管理模块输出的状态信息输出至监控计算机;
[0034] 数据管理模块用于将收到的各指令进行数据收发判别管理并通过外部存储器接口输出至DSP处理器;还用于将DSP处理器输出的状态信息输出至网络传输模块;还用于接收信号切换模块、D/A转换模块、时频信号产生模块和射频调制模块分别输出的状态信息;
[0035] DSP处理器用于将控制信号调制信息、建链目标、调制带宽、调制方式和动态时延的指令进行解析对应生成I、Q两支路电文信息、时间信息、卫星ID、扩频码时钟控制字、载波控制字以及时频基准使能信号,将I、Q两支路电文信息通过数据管理模块输出至电文存储模块进行存储,将时间信息和卫星ID通过数据管理模块输出至扩频码生成模块,将扩频码时钟控制字和载波控制字通过数据管理模块输出至控制字存储模块进行存储,将时频基准使能信号通过数据管理模块输出至时频信号产生模块;DSP处理器还用于获取状态信息并通过数据管理模块和网络传输模块发送至监控计算机;所述的状态信息包括时频信号产生模块的工作状态、信号切换模块的输出、D/A转换模块的工作状态和射频调制模块的输出;
[0036] 电文存储模块用于将输入的I、Q两支路电文信息分别存入各自的RAM存储空间,并在1PPS基准信号和电文时钟信号的驱动下输出至电文编码和校验模块;
[0037] 扩频码生成模块用于根据输入的卫星ID和时间信息,控制周期性扩频码生成多项式和无周期非线性精密码模块在1PPS基准信号和扩频码时钟的驱动下分别生成I、Q两支路扩频码信息并输出至扩频调制模块;
[0038] 控制字存储模块用于将输入扩频码时钟控制字和载波控制字分别存入各自的RAM存储空间并在控制字读取时钟信号和1PPS基准信号的驱动下分别输出至数字控制振荡器;
[0039] 时频信号产生模块用于将输入的扩频码时钟、时频基准使能信号以及参考时钟10MHz和1PPS通过时频同步以及频率锁相环进行倍频和分频处理后产生控制字读取时钟信号、1PPS基准信号、电文时钟信号和系统工作时钟,将控制字读取时钟信号输出至控制字存储模块,将1PPS基准信号输出至电文存储模块、扩频码生成模块、控制字存储模块、电文编码和校验模块和数字控制振荡器,将电文时钟信号输出至电文存储模块和电文编码和校验模块,将系统工作时钟输出至数字控制振荡器、正交调制模块和D/A转换模块;
[0040] 电文编码和校验模块用于将输入I、Q两支路电文信息在1PPS基准信号和电文时钟信号的驱动下完成信道编码和计算CRC校验,并输出I、Q两支路编码后的电文信息至扩频调制模块;电文编码和校验模块采用Turbo编码、LDPC编码和CRC校验生成多项式进行编码和校验。
[0041] 扩频调制模块用于将输入的I、Q两支路扩频码信息和I、Q两支路编码后的电文信息在扩频码时钟的驱动下进行数字扩频运算得到I、Q两支路扩频信号,并输出至正交调制模块;扩频调制模块采用二进制模二加数字运算进行扩频调制。
[0042] 数字控制振荡器用于将输入的扩频码时钟控制字、系统工作时钟和1PPS基准信号在直接数字式频率合成器作用下生成扩频码时钟并输出至扩频调制模块、扩频码生成模块和时频信号产生模块,载波控制字、系统工作时钟和1PPS基准信号在直接数字式频率合成器作用下生成正弦载波和余弦载波并分别输出至正交调制模块;
[0043] 正交调制模块用于将输入的I、Q两支路扩频信号、正弦载波和余弦载波在系统工作时钟的驱动下进行数字调制得到北斗卫星一期体制信号和全球体制信号后,将北斗卫星一期体制信号和全球体制信号分别输出至信号切换模块;正交调制模块采用二进制相移键控和正交相移键控进行正交调制。
[0044] 信号切换模块用于将输入的北斗卫星一期体制信号和全球体制信号进行切换选择,并输出其中一种体制信号至D/A转换模块;还用于将自身状态信息输出至数据管理模块;
[0045] D/A转换模块用于在系统工作时钟的驱动下将输入的北斗体制信号转换成模拟差分正交信号后,将模拟差分正交信号输出至射频调制模块;还用于将自身状态信息输出到数据管理模块;
[0046] 射频调制模块用于将输入的模拟差分正交信号在参考时钟10MHz信号作用下进行正交调制、上变频得到上变频信号后,输出上变频信号至滤波器;还用于将自身状态信息输出到数据管理模块;
[0047] 滤波器用于滤除上变频信号的干扰信号得到射频信号。
[0048] DSP处理器完成数字计算与信号控制:DSP处理器包括数据收发模块、电文处理模块、控制字计算模块、信号控制模块和设备状态监测模块;
[0049] 数据收发模块用于根据数据接口协议接收数据管理模块输出各指令,将收到的控制信号生成格式和调制信息指令输出至电文处理模块,将调制带宽和动态时延指令输出至控制字计算模块,将建链目标、调制方式、输出状态和功率大小指令输出至信号控制模块;还用于接收设备状态监测模块输出状态信息和数据管理模块输出状态信息,按照数据接口协议整合后发送状态信息至数据管理模块;
[0050] 电文处理模块用于将输入的控制信号生成格式和调制信息指令按照信息结构规范、信息类别编排格式、信息定义以及信息注入和处理策略完成内容的编排和实时更新,获得I、Q两支路电文信息并分别输出至数据管理模块;
[0051] 控制字计算模块用于根据输入的调制带宽和动态时延指令实时计算多普勒频率偏移得到扩频码时钟控制字和载波控制字,并分别输出至数据管理模块;
[0052] 信号控制模块用于将输入的建链目标、调制方式、输出状态和功率大小指令进行解析完成信号控制,并输出至数据管理模块;
[0053] 设备状态监测模块用于将输入的状态信息输出至数据收发模块。
[0054] 本发明采用FPGA+DSP嵌入式模块化程序形式实现信号生成,硬件结构简单易于实现、灵活性高且程序可扩展性强,为适应北斗卫星导航系统建设,能够产生两种信号体制格式共四个通道信号,能够模拟卫星真实运动状态下输出信号,动态范围速度±8000m/s,加速度±500m/s2,支持射频频率输出范围700~2700MHz,采用数字正交调制,有效的抑制了镜频分量的产生,避免了较大的杂散分量,信号输出功率采用数控精确衰减。
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