“北斗”陆基增强系统导航信号源的分析与设计

中文摘要:

  导航信号激励器是无线电导航系统的关键设备。简要介绍了通过建立陆基增强系统来提高“北斗”定位能力的技术方案,并对陆基增强系统扩频导航信号激励器进行了详细的分析与设计。利用直接频率合成(DDS) 技术产生高精度、高稳定度的码时钟,并利用AD9854 芯片特有功能实现BPSK调制;采用CPLD 器件设计扩频伪码产生器及扩频调制器。文中还着重讨论了各陆基导航台时钟同步的几项关键技术。实测结果表明:所设计实现的导航信号激励器精度高、稳定性好;并且BPSK调制实现了较好的载波抑制,隐蔽性好、抗干扰能力强。

英文摘要：

  The navigation signal generator is an essential device in radio navigation and position system. The technique scheme of improving the“Beidou”positioning ability through setting up terrestrial improvement system is briefly presented , and the system signal generator is analyzed in detail and designed. In the design , the Direct Digital Synthesis (DDS) is adopted to create pesudo random code clock with high precision and high stability , the special function of DDS chip AD9854 is used to realize BPSK modulation , the CPLD device is applied to design spread spectrum pseudo random code generator and spread spectrum modulator. Some key techniques of the time synchronization for each terrestrial navigatioin station is specially discussed. The results of practical measurement indicate that the signal generator has high precision and nice stability ; moreover the BPSK modulation makes carrier suppression with good concealment and strong anti-jamming ability.

2 　“北斗”陆基增强系统信号源的设计
     导航信号激励器产生的扩频导航信号质量的好 坏直接影响整个无线电导航系统的性能。针对传统 信号激励器的缺点与不足,设计了采用直接数字式 频率合成芯片与可编程逻辑器件相结合,利用高速 数字电路和高速DPA 转换技术的导航信号激励器 方案。陆基增强系统信号发生系统硬件结构如图2 所示,主要由DSP 控制系统、扩频伪码发生器、扩频 调制器、BPSK调制器、RF 滤波器和高精度的时钟系 统组成。工控机将导航电文、导航信号参数通过串 行接口与DSP 通信;系统选用TI 公司生产的高速数 字信号处理芯片(DSP) TMS320C5416 ,通过逻辑接口 对时钟发生器、伪码调制器、载波BPSK调制器进行 控制。
2. 1 　利用DDS 技术实现时钟发生器和载波调制
     　在系统设计中,时钟发生器选用AD 公司的 DDS 芯片AD9854。AD9854 是采用先进技术生产的 具有高集成度的DDS 器件, 结构框图见图3。它内 部集成了48 bit 频率累加器、48 bit 相位累加器、正 余弦波形表、12 位正交数模转换器以及调制和控制 电路,17 bit 相位截断保证了优良的无杂散动态比 (SFDR) 指标。理论上,输出信号的相位噪声会对参 考时钟信号的相位噪声有201g f c / fout dB 的改善。 同时, AD9854 内部还含有4 到20 倍可编程控制的 时钟乘法器,这可使用户采用相对较低的频率倍频 成为DDS 系统时钟信号,其内部时钟速率最大可达300 MHz。 　DSP 芯片TMS320C5416 通过并行接口将频率、 幅度、相位控制字发送到AD9854 内部相应的控制 寄存器。在DSP 的控制下,采用高精度、高稳定度 原子钟作为DDS 的时钟输入, AD9854 将产生与 DDS 所产生的同样高精度、高稳定度且频率、幅度和 相位方便可控的正弦(余弦) 信号,利用内部集成的 高速比较器,产生低抖动的方波输出作为伪码发生 器的时钟信号。AD9854 的输出频率、参考频率和频 率控制字之间的关系可用式(2) 表示.　 在BPSK(100) 模式,BPSK脚(29 脚) 是一个二进 制、二相、双极性的相位转换键,这也是对AD9854 的I 和Q 输出有相同影响的2 个可编程14 位相位 偏移输出的选择。利用扩频后的伪随机码作为 BPSK脚(29 脚) 的逻辑值可控制选择相位累加器1 或相位累加器2 :在BPSK脚为高时,选择相位累加 器1 输出180°正弦波;为低时,选择相位累加器2 输 出0°正弦波,实现BPSK调制。 由于DAC 的零阶保持效应,输出信号的频谱为 sinc 包络与脉冲流经过傅里叶变换的乘积,所以输 出频谱有遵从sinc 响应的固有畸变。AD9854 内部 独特的Inverse sinc 滤波器对DAC 的输入信号进行 sin( x)Px 校正,使宽带BPSK调制信号的输出幅频 特性曲线更加平坦。为了满足载波相位测距导航系 统对接收信号苛刻的相位要求,AD9854 的DAC 输 出的BPSK扩频导航信号RF 滤波器采用了各类滤 波器中相位线性最好的贝塞尔(Bessel) 滤波器。
3 　实验测试结果及分析
     在实验中,分别利用Tektronix3504 示波器(带宽 500MHz) 和Agilent7401A 频谱分析仪对射频导航信 号进行时域P频域的测量与分析,得到图5 所示的波 形图与图6 所示的频谱图。通过本文的分析和测试 结果表明,采用直接频率合成(DDS) 技术产生码时 钟精度高、稳定度好,利用高性能相位比较器,并与 CPLD 相结合, 实现了导航台的时钟同步; 利用 AD9854 实现的平衡BPSK调制器载波抑制良好,射 频导航信号杂散较小、频谱分布及主旁瓣比非常接 近理论值,实际应用时导航信号将淹没在噪声中,信 号的隐蔽性高。 　以DDS 与CPLD 技术为核心的导航信号发生器 结构简单、控制方便,采用高精度的原子钟作为参考 时钟,研制实现低相位噪声、高分辨率、高精度和高 稳定度的导航信号激励器,各项指标均能满足系统 的要求。