导航信号软件设计论文

1测试方法的理论基础

在现代雷达应用中，为了提高雷达信号的抗干扰能力，提高雷达的距离分辨率，有种方式是采用伪随机噪声序列产生的二相编码雷达波形，这种雷达波形带来的好处是当匹配滤波器时域波形与雷达波形匹配时，在匹配滤波器输出一个尖锐的峰值，一旦失配，则匹配滤波器输出峰值快速跌落［8］。导航信号均采用伪随机码序列调制，具有良好的自相关特性和互相关特性，因此，采用基于匹配滤波器接收机模型实现载波相位估计。在本地产生一系列不同初始相位的载波调制信号，与待测试载波调制信号进行相关积分，在输出波形的最佳采用时刻提取幅度，只有到本地载波调制信号的初始相位与输入待测试载波调制信号的初始相位一致，两个波形完全匹配时，最佳时刻的匹配滤波器输出信号幅度最高。由于QPSK导航信号存在正交的两路载波调制信号，在估计其中一路信号的载波相位时，另一路信号则被视为多址干扰。

2测试系统的连接

导航信号IQ正交性测试系统的设备连接如图1所示。测试设备主要包括控制和处理计算机、网络设备以及高速数字示波器。控制和数据处理计算机通过网线和网络设备实现对高速示波器的控制。高速数字示波器的本振设置为外参考，其外参考输入为导航信号发生器的基准频率参考10MHz信号，保证高速示波器和导航信号发生器同源。控制和数据处理计算机控制示波器通道1进行采样触发，通道2对导航信号进行采样。

3开发平台及软件功能

3．1软件的开发环境和体系结构

导航信号IQ正交性测试软件的开发和运行完全基于Windows操作系统运行，虚拟内存至少需要512MB，需要安装Matlab2009或以上版本，软件基于Matlab2009版本的GUIDE用户界面设计。

3．2软件的主要功能

3．2．1测试设备通信功能。用于网络设备TCP/IP接口的参数设置，建立高速数字示波器与控制处理计算机之间的网络连接。3．2．2仪器设置功能。通过网络，设置示波器的采样率、采集数据长度、通道数目、各通道序号示波器显示幅度范围、触发方式和触发电平。3．2．3秒脉冲触发点搜索功能。对载入的卫星秒信号采集数据处理，获取秒脉冲变化沿对应的时刻。3．2．4导航信号参数选择功能。根据导航信号体制，设置导航信号的中心频率，伪随机码码率，本地伪随机码的生成。3．2．5导航信号频谱显示和功率标定功能。对采用的导航信号进行频谱分析，显示导航信号的频谱，并进行导航信号的功率计算，得到示波器通道输入导航信号的功率电平。3．2．6载波相位粗估计功能。从0～2π的范围内用大的步进量，生成一系列的本地伪随机噪声序列调制的波形，与输入波形匹配滤波，确定最佳匹配的本地波形对应的载波初始相位。3．2．7伪随机码相位同步功能。根据载波相位粗估计结果及本地伪随机码，实现输入导航信号的相关捕获，从而确定导航信号的伪随机码相位，实现伪随机码相位同步。3．2．8载波相位精细估计功能。完成伪随机码同步后，以载波相位粗估计值为中心，在粗估计步进量为上下限的范围内，以小的步进量，生成一系列的本地伪随机噪声序列调制的波形，与输入波形匹配滤波，确定最佳匹配的本地波形对应的载波初始相位。3．2．9IQ正交性计算功能分别完成I支路和Q支路的载波相位精细估计后，得到I和Q支路的载波相位，计算得到IQ正交性结果。4．2．10测试结果显示保存功能。将测试过程中生成的频谱曲线、匹配滤波输出曲线图用指定的文件名保存到指定目录。

3．3输出参数

输出参数包括:(1)控制计算机与高速数字示波器的通信连接状态的界面显示;(2)信号频谱特性的界面显示;(3)载波相位粗估计中各不同载波相位匹配滤波器输出结果曲线;(4)导航信号伪随机相位估计的相关曲线;(5)载波相位精细估计中各不同载波相位匹配滤波器输出结果曲线;(6)测试结果的图形文件。

4测试程序流程

在完成设备的连接、被测件和测试设备加电，被测件工作正常并预热到规定时间后，执行测试软件。导航信号IQ正交性测试软件的整体设计和工作流程如图2所示。其中图2(a)是整个测试程序的流程图，在测试流程中包含两个复杂算法的载波相位估计模块和导航信号伪随机码同步模块。载波相位估计模块的详细流程如图2(b)所示，该模块适合载波相位粗估计和精细估计，伪随机码的同步可以采用多速率码同步或部分相关同步技术［9，10］，这里采用部分相关的码同步方法，具体实现的详细流程如图2(c)所示。

5仿真结果

以GPS卫星导航系统IIF系列中的L5C信号作为参考，模拟生成一定长度的导航信号，导航信号的仿真参数如下:(1)中心频率:1176．45MHz;(2)调制方式:QPSK;(3)伪随机码速率:10．23MHz;(4)伪随机码长度:10230;(5)伪随机码周期:1ms;(6)I支路载波初始相位:3．2°;(7)Q支路载波初始相位:95°;(8)信号幅度:1mV。高速数字示波器的设置参数:(1)采样率10GHz;(2)存储深度8M。通过导航信号IQ正交性测试软件对模拟生成的导航信号进行处理。导航信号频谱显示和功率标定模块完成信号的频谱显示及功率测试，其结果显示如图3所示。在模拟的QPSK信号中加载白噪声，当载噪比为典型值45dBHz情况下，对I和Q支路进行载波初始相位估计，并计算IQ正交性，其中连续仿真20次，所得的模拟测试结果如表1所示。I支路和Q支路载波初始相位估计的平均误差约为0．045°和－0．11°，IQ正交性设定值为95－3．2=91．8°，仿真测试结果平均值为91．735°，平均测试误差为0．065°。IQ正交性的测量不确定度为0．4833°。

6结束语

导航信号IQ正交性测试软件利用计算机通过网络设备控制高速数字示波器，对导航信号源秒脉冲信号和导航信号进行高速采样，软件对采样后的数据进行数字信号处理，实现导航信号IQ支路载波正交性的精密测试。软件设计和实现带来的好处如下:(1)对导航信号进行直接微波采样，避免了传统导航信号质量评估中首先下变频到中频后采样的方式所附加的非线性失真，测试结果准确度更高;(2)采用波形匹配的雷达信号相关接收技巧，降低了传统导航信号软件接收机相关捕获跟踪处理的复杂度以及对样本数据长度的需求;(3)提出算法依靠数字信号处理，实现简单。在典型的载噪比情况下，IQ正交性测量的随机误差小于0．5°;(4)采用可视化软件的主界面设计，测试处理过程直观，测试过程和结果等相关数据保存方便，软件操作简单，界面友好，效率高。

作者：崔小准 郑育红 付林春 聂欣 李懿 单位：中国空间技术研究院总体部 中国空间技术研究院通信卫星事业部