衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)多通道隔離轉(zhuǎn)換測量顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

0   引言

全球定位系統(tǒng)（GPS）是以導(dǎo)航衛(wèi)星為基礎(chǔ)進(jìn)行高精度無線電測時(shí)和測距的定位系統(tǒng)，在全球任何地方以及近地空間都能夠提供準(zhǔn)確的坐標(biāo)以及精確的時(shí)間信息^[1-2]。本文基于BD/GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種衛(wèi)星信號(hào)多通道隔離轉(zhuǎn)換測量顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用BD/GPS 偽衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生器提供單一穩(wěn)定的信號(hào)源，利用功分器將一路輸入信號(hào)能量分成多路相等的輸出信號(hào)能量，這些輸出信號(hào)由自主研發(fā)生產(chǎn)的BD/GPS 信號(hào)解析板卡解析成固定格式的數(shù)據(jù)[3]，并通過板卡集成的PCI 總線送至電腦上位機(jī)，上位機(jī)通過開發(fā)程序的方式完成BD/GPS 衛(wèi)星信號(hào)由不可見至視覺的轉(zhuǎn)變。

1   系統(tǒng)概述

系統(tǒng)工作時(shí)，先由1 個(gè)BD/GPS 偽衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生器給系統(tǒng)提供單一路穩(wěn)定的BD/GPS 衛(wèi)星信號(hào)，該信號(hào)提供給射頻功率分配模塊。射頻功率分配模塊將輸入的一路BD/GPS 衛(wèi)星信號(hào)無損轉(zhuǎn)換為相互獨(dú)立且相等的四路BD/GPS 衛(wèi)星信號(hào)并輸出到衛(wèi)星信號(hào)接收解析模塊；衛(wèi)星信號(hào)解析模塊從輸入的四路BD/GPS 信號(hào)中提取出衛(wèi)星號(hào)、通道號(hào)以及輸入信號(hào)強(qiáng)度等信息，通過PCI 總線上傳至PC 上位機(jī)進(jìn)行顯示[3]。PC 端采用C/C++ 語言編寫顯示軟件，將解析出的信息采用柱狀圖的形式直觀顯示在PC 界面上。

2   系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要依靠BD/GPS 偽衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生器、射頻功率分配模塊、衛(wèi)星信號(hào)接收解析模塊和PC端上位機(jī)顯示模塊。

2.1 BD/GPS偽衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生器

為保證信號(hào)的穩(wěn)定性及結(jié)果的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用BD/GPS 偽衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生器作為衛(wèi)星信號(hào)。偽衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生器可以在多種環(huán)境（包括室內(nèi)環(huán)境）下模擬導(dǎo)航衛(wèi)星的各種參數(shù)，且可以實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)強(qiáng)度，其標(biāo)準(zhǔn)配置軟件為顯控軟件。顯控軟件實(shí)時(shí)生成對(duì)應(yīng)于用戶設(shè)定載體軌跡的導(dǎo)航電文和觀測數(shù)據(jù)（偽距、多普勒等），并將數(shù)據(jù)發(fā)送給偽衛(wèi)星信號(hào)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)發(fā)生器的控制及操作；同時(shí)以圖形化界面及文本窗口顯示數(shù)學(xué)仿真軟件生成觀測數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文。

2.2 射頻功率分配模塊

該模塊的外形設(shè)計(jì)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的3U PXI 板卡，該板卡主要包括底板、功分器、對(duì)外接口三部分。底板主要是對(duì)功分器進(jìn)行固定，并通過PXI 的J1 接口和機(jī)箱連接和固定；功分器固定在底板上，實(shí)現(xiàn)一分四的射頻功率分配；對(duì)外接口采用SMA 接頭，通過前面板和外部連接。功分器采用無源改進(jìn)型微帶四等分功分器，基于傳統(tǒng)功分器理論，通過引入λ2 微帶傳輸線，增加兩輸出端口間的距離，從而提高電路布局的靈活性，改善功分器的性能。功分器工作頻率為（1 559~1 577）MHz，覆蓋GPS L1（1 575.42±1.023）MHz 和BD2 B1（1 559.052~1 591.788）MHz 頻段。

2.3 信號(hào)接收解析模塊

信號(hào)接收解析模塊接收來自信號(hào)功分模塊的4 路衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部多模定位模塊UM220 和FPGA 處理后提取出衛(wèi)星號(hào)、通道號(hào)以及輸入信號(hào)強(qiáng)度等信息，并通過PXI/PCI 總線上傳至上位機(jī)軟件，上位機(jī)軟件將這些信息以數(shù)字柱狀圖的形式顯示在界面上。其基本框架如圖1 所示。

圖1 信號(hào)接收解析模塊功能框圖

2.3.1 多模定位模塊UM220

多模定位模塊主要采用的是兼容GPS 和北斗二代定位功能的UM220NV，該模塊有多達(dá)24 個(gè)衛(wèi)星接收通道，兼容GPS L1、BD2-B1，同時(shí)擴(kuò)展了NMEA-0183 格式，以便于使用該格式傳輸北斗二代的數(shù)據(jù)。該協(xié)議可以輸出衛(wèi)星號(hào)、通道號(hào)，通過FPGA 片內(nèi)程序解析出信號(hào)強(qiáng)度、時(shí)間、經(jīng)緯度、高度、速度等導(dǎo)航指標(biāo)^[1-2]。

通過長期的測試和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該模塊的精度、穩(wěn)定性和可靠性都較高。為了提高系統(tǒng)的集成度，有效提高空間資源利用率，板卡設(shè)計(jì)時(shí)將4 個(gè)相同的UM220NV 多模定位模塊集成在一塊電路板上，組成一個(gè)多路信號(hào)接收模塊。

2.3.2 FPGA處理器EP2C5Q208

信號(hào)接收解析模塊采用現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）作為核心處理器，選用的芯片型號(hào)是Altera公司的EP2C5Q208，其具有豐富的I/O 管腳，可以靈活進(jìn)行I/O 配置，邏輯資源豐富，提供程序并行處理功能，從而提高程序的運(yùn)行效率。信號(hào)解析模塊的主要處理功能分為3 個(gè)部分，第1 部分是處理4 塊多模定位模塊上的信息（包括指令和返回的數(shù)據(jù)），打包后通過PCI 總線發(fā)送給上位機(jī)顯示單元。第2 部分是和PCI9052 之間局部總線的控制時(shí)序，以保證PCI 接口能夠正常通信。第3 部分是背板及主控PCI 擴(kuò)展性能總線的接口時(shí)序控制，以實(shí)現(xiàn)PCI 擴(kuò)展總線的功能。

詳細(xì)設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。圖中左上角主要是PCI地址線連接圖；右上角主要是和4 個(gè)BD/GPS 模塊連接圖；左下角主要是PCI 接口的控制接口連接關(guān)系；右下角主要是PCI 數(shù)據(jù)接口的連接關(guān)系圖。

圖2 信號(hào)解析模塊應(yīng)用電路

2.3.3 總線轉(zhuǎn)換芯片PCI9052

PCI9052 是PLX 公司開發(fā)的服從PCI 協(xié)議的從模式接口芯片，它能夠?qū)崿F(xiàn)ISA 總線到PCI 總線的平滑轉(zhuǎn)換，將較為復(fù)雜的PCI 總線轉(zhuǎn)換為相對(duì)簡單的用戶本地接口。，符合PCI2.1 規(guī)范，完全兼容PXI 總線協(xié)議。它可作為PCI 總線目標(biāo)設(shè)備實(shí)現(xiàn)基本的傳送要求，有5 個(gè)局部地址空間和4 個(gè)局部設(shè)備片選信號(hào)，局部總線與PCI 總線時(shí)鐘相互獨(dú)立運(yùn)行。通過配置EEPROM 的內(nèi)容可以將PCI9052 設(shè)定為ISA 接口模式，通過8 位或16 位內(nèi)存或I/O映射可直接使PCI 總線與ISA 總線相連，從而將ISA 總線快速轉(zhuǎn)換到PCI 總線上。

3   系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 信號(hào)接收解析模塊軟件

信號(hào)接收解析模塊能夠控制4 個(gè)GPS/ 北斗定位模塊，可根據(jù)需要分別發(fā)送控制命令和參數(shù)提取命令。在數(shù)據(jù)協(xié)議方面，主要采用分層編址協(xié)議，分為板卡地址（PCI 地址）、模塊地址兩層，發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收的數(shù)據(jù)都按照編址方式進(jìn)行傳輸。FPGA 將導(dǎo)航數(shù)據(jù)解析后，通過PCI 總線上傳至電腦上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示[3,6]。板卡集成PCI9052 模塊，按照標(biāo)準(zhǔn)的PCI2.1 規(guī)范進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，能夠自動(dòng)檢測硬件，并進(jìn)行端口初始化和數(shù)據(jù)的讀寫（板卡上電，初始化完成后，會(huì)自動(dòng)發(fā)送上行數(shù)據(jù)）。它具有自保護(hù)功能，當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序被破壞后，板卡或計(jì)算機(jī)端不能進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)讀寫時(shí)能夠報(bào)警，并自行重新加載程序并恢復(fù)^[6]。圖3 展示了信號(hào)接收解析模塊FPGA 的軟件處理流程。

部分源代碼如下：

cnt_111_pro:process(reset_all,clk40M)

begin

if reset_all=’0’ then

cnt_111<=x”0000000”;

elsif rising_edge(clk40M) then

i f cnt_111= x ”9896800” t h e n - -

x”2625A00”

cnt_111<=x”0000000”;

else

cnt_111<=cnt_111+1;

end if;

end if;

end process;

cnt_112_pro:process(reset_all,clk40M)

begin

if reset_all=’0’ then

cnt_112<=x”0000000”;

elsif rising_edge(clk40M) then

i f cnt_112=x”2625A00” t h e n - -

x”2625A00”

cnt_112<=x”0000000”;

else

cnt_112<=cnt_112+1;

end if;

end if;

end process;

led1_pro: process(reset_all,clk40M)----LED is test

FPGA is work corrent or not

begin

if reset_all=’0’ then

led1<=’0’;

elsif rising_edge(clk40M) then

if gps_state_01=’0’ then

if cnt_111<=x”007625A00” then

led1<=’1’;

else

led1<=’0’;

end if;

else

if cnt_112<=x”001A25A00” then

led1<=’1’;

else

led1<=’0’;

end if;

end if;

end if;

end process;

3.2 上位機(jī)顯示模塊

采用C/C++ 語言編寫上位機(jī)顯示軟件，該軟件的主要功能是通過PCI 接口采集信號(hào)接收解析模塊上傳的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后將數(shù)據(jù)以可視化界面形式顯示出來^[6]。顯示軟件支持同時(shí)采集3 塊信號(hào)接收解析模塊的數(shù)據(jù)，軟件左側(cè)12 通道同時(shí)顯示，每個(gè)通道以不同顏色的柱狀圖代表信號(hào)強(qiáng)度，同時(shí)在柱狀圖上端以數(shù)字形式顯示信號(hào)實(shí)時(shí)強(qiáng)度，這樣可以同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行定性和定量分析；軟件右側(cè)對(duì)基準(zhǔn)通道（通道1）實(shí)際接收到的各個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。。

4   平臺(tái)搭建與測試分析

所設(shè)計(jì)的BD/GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)解析模塊可以作為單板插入到PXI 機(jī)箱或CPCI 機(jī)箱中，也可以多板卡構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立測試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測試方案是采用3U PXI 機(jī)箱構(gòu)建一個(gè)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括主控板卡、射頻功率分配模塊、衛(wèi)星信號(hào)接收解析模塊和上位機(jī)顯示模塊；衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)通過BD/GPS 天線輸入到射頻功率分配模塊后，轉(zhuǎn)換成多路后輸入到衛(wèi)星信號(hào)接收解析模塊，在主控板卡上采用例程程序?qū)ζ溥M(jìn)行測試[7]。測試機(jī)箱原理如圖4 所示。

為了驗(yàn)證產(chǎn)品的功能是否滿足要求，用3 塊解析卡做了如下測試。

1）1 號(hào)板和3 號(hào)板在-65 dBm，且首次啟動(dòng)時(shí)3塊板均無干擾，此處無干擾指每塊板接3 個(gè)通道，其余一個(gè)通道未見干擾信號(hào)，見表1。

2）熱插拔（首次啟動(dòng)后）在-65 dBm 下每塊板接3 個(gè)通道，余下的1 個(gè)通道的干擾信號(hào)小于5 個(gè)信噪比（在誤差允許范圍內(nèi)）。見表2。

3）在-58/-65 dBm 時(shí)，啟動(dòng)3 塊測試板，同一測試板的4 個(gè)通道的信號(hào)在誤差范圍內(nèi)保持一致。見表3。

測試數(shù)據(jù)說明，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)接收解析模塊的設(shè)計(jì)符合要求，能在誤差允許范圍內(nèi)能夠?qū)⒁宦沸l(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)換為無損耗且相互隔離的四路衛(wèi)星信號(hào), 上位機(jī)顯示模塊能夠?qū)⒔馕龊蟮男l(wèi)星信號(hào)實(shí)時(shí)顯示。

5   結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)多通道隔離轉(zhuǎn)換測量顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)能將單一路的衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)換為無損失且相互隔離的4 路信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了多路衛(wèi)星信號(hào)的解析和實(shí)時(shí)顯示，能真實(shí)還原實(shí)際導(dǎo)航衛(wèi)星的狀態(tài)數(shù)據(jù)，為相關(guān)科研工作提供了有力支撐。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）