一种全相参频率动态扩频信号生成系统的制作方法

本发明涉及卫星导航，用于提升导航系统对多普勒频偏的处理能力，一种全相参频率动态扩频信号生成系统。

背景技术：

1、由于导航应用目标与导航接收机间径向运动，接收信号的载波频率和码速率存在多普勒频移，在导航应用目标具有很高速度和加速度的高速运动场景下，多普勒频移的范围更大、时变特性更复杂，增加了导航系统实现精确捕获与跟踪的难度，提升导航系统对多普勒频偏的处理能力对导航系统性能的提高至关重要。在实际研发过程中，除了提升导航接收机多普勒频移捕获与跟踪算法的精度外，也可以通过计算多普勒频移曲线，为接收机多普勒频移补偿提供先验信息，来降低多普勒频偏的影响。

2、为进一步降低高动态下导航接收机的处理压力，开发一种多普勒相参的高动态导航信号，通过在上行信号中进行预置动态多普勒补偿，缩小多普勒频移范围，对提高导航系统的多普勒频偏处理能力起到积极作用，此外，也可以作为导航模拟设备的一种附属功能，模拟多普勒以检验导航接收机性能。因此，对这种动态多普勒相参的导航信号的生成方法的研究具有一定的实际意义。

3、多普勒相参的导航信号的生成，其技术难点主要体现在两个方面：一是由于高动态导航信号是结合调频、扩频及调相且需要融合各类误差模型的复杂信号，其生成需要非常合理的软硬件架构和信号生成流程。目前常见的生成方法，基于纯软件的模式虽然比较灵活精确，但其运行受计算机硬件限制，导致实时性较差，不易实现长时间的仿真测试；现有的基于软硬件结合的模式，其设计体系结构复杂，具有较大的技术难度，可行性较差。二是高动态下多普勒效应体现在多普勒频移以及多普勒频移的一阶和二阶变化率，这就要求使用的导航信号生成方法中融入合理的动态多普勒计算模型，来模拟载波多普勒频移和码多普勒频移。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，针对导航应用目标运动高动态模拟的需求，公开了一种全相参频率动态扩频信号生成系统，通过在上行信号中进行多普勒预置，提升导航系统对多普勒频偏的处理能力。

2、本发明目的通过下述技术方案来实现：

3、一种全相参频率动态扩频信号生成系统，所述全相参频率动态扩频信号生成系统由dsp芯片和fpga芯片构成，其中，所述dsp芯片内置有频率控制字计算模块，所述fpga芯片内置有：动态多普勒模拟模块，多普勒相参的位钟和码钟产生模块、速率匹配模块、扩频码产生模块和调制模块；

4、其中，所述频率控制字计算模块被配置为完成多普勒相参的位钟和码钟产生模块所需的频率控制字和频率控制字系数的计算；

5、所述动态多普勒模拟模块基于预设的多普勒频率和载波中心频率，通过控制多普勒频移的变化率模拟动态多普勒频移，输出动态载波多普勒频移控制字；

6、所述多普勒相参的位钟和码钟产生模块通过直接频率合成器dds，生成多普勒相参的位钟和码钟，供后续信息处理使用；

7、所述速率匹配模块，将dsp芯片异步注入的输入数据流，匹配同步在多普勒相参的位钟下的数据流进行输出；

8、所述扩频码产生模块在码钟驱动下，按照特定扩频码生成逻辑，生成多普勒相参的扩频码流；

9、所述调制模块将扩频码流与数据位流相乘得到的扩频信号加调在载波中频上，完成全相参频率动态扩频信号生成。

10、根据一个优选的实施方式，所述dsp芯片内的频率控制字计算模块，用于计算预置载波多普勒频率控制字、导航模拟信号位钟频率对应于载波频率控制字的系数和pn码码钟频率对应于载波频率控制字的系数。

11、根据一个优选的实施方式，所述频率控制字采用下式计算获得：

12、

13、导航模拟信号位钟频率对应于载波频率控制字的系数采用下式计算获得：

14、

15、pn码码钟频率对应于载波频率控制字的系数采用下式计算获得：

16、

17、其中，为四舍五入取整操作，m、n为直接频率合成器dds的位宽，为载波多普勒预置频率，为导航模拟信号的位钟频率，为伪码码钟频率，为载波中心频率。

18、根据一个优选的实施方式，动态场景下导航应用目标相对于导航接收机做径向变速运动，若表示导航应用目标时径向速度，表示运动时间，、和分别表示初始速度、加速度和加加速度，c表示光速，则载波多普勒频移可以表示为：

19、

20、在所述动态多普勒模拟模块中，通过设置在范围间以各阶变化率动态变化，将多普勒影响的载波频率表示为，实现动态多普勒频移，并生成模拟的动态载波多普勒频率控制字。

21、根据一个优选的实施方式，所述多普勒相参的位钟和码钟产生模块依次串联有乘法器、加法器和相位累加器模块；依据码多普勒与载波多普勒相参的定义，将动态载波多普勒频率控制字与相乘，截位后再与中心频率的频率控制字相加，得到的频率控制字在系统工作时钟下在相位累加器中中进行累加，得到扩频码码钟；同理得到导航信号位钟。

22、根据一个优选的实施方式，所述速率匹配模块，先通过计数器将导航信号位钟转换为8bit一次的位钟，从而构造出字节读出使能，dsp芯片异步注入的信息流该经过字节读出使能驱动的fifo得到并行数据，最后进行并串转换得到多普勒相参的位钟下的信息流。

23、根据一个优选的实施方式，所述调制模块，由速率匹配模块生成的位流和扩频码产生模块生成的码流相乘生成pcm信号，对信号幅度归一化，与由载波频率控制字经相位累加、截位、正弦查表得到的本振信号相乘，即得到一种低复杂度全相参多普勒动态扩频信号。

24、前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

25、本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

26、控制灵活，精度高。本发明采用“dsp+fpga”架构，将频率控制字、频率控制字系数以及模拟动态多普勒所需速率的计算放在dsp芯片中进行，可以避免在硬件中实现大量浮点运算所造成的精度损失，且可以实现参数的灵活控制。

27、复杂度低，成本低廉。本发明中，对多普勒频偏作用于导航信号主要影响的扩频伪码和载波进行了多普勒动作，一方面相比静态多普勒模拟，模拟多普勒动态可以更精确对多普勒频移进行补偿；另一方面，相比其他高阶多普勒模拟，将多普勒频移的动态变化简化为对各阶变化率的控制，实现算法简单。且本发明中采用dds实现频率的生成，所涉及的硬件电路，属于市面上非常通用成熟的电路设计，电路结构通用，成本低廉。

28、可靠性高，实时性高，可实施“硬件自闭环”。本发明中，对上行信号进行动态多普勒的模拟和信号的扩频调制，降低了高动态下导航接收机的处理压力，进一步提升了导航系统的可靠性，而且在fpga中输出的中频信号在加干扰模块之后，可以直接送去接收模块进行整体验证，实现在硬件中的自闭环，且在fpga中可以实现长时间的仿真测试，可用于测试导航接收机性能。