基于软件无线电原理导航接收机信号解算

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卫星导航系统接收机原理与设计——之一(上）

Satelliteclassroom卫星课堂卫星导航系统接收机原理与设计——之一(上）+刘天雄第二十四讲概述 Receiver overview全球卫星导航系统简称GNSS（Global Navigation Satellite System）系统，由空间段SS（space segment）、地面控制段CS（control segment）以及用户段US（user segment）三个部分组成，其中用户段US就是咱们手里拿的接收机。

空间段SS的每颗导航卫星连续播发无线电导航信号，简称为SIS信号（Signals In Space），通常是L频段无线电信号，载波信号调制有周期数字码（periodic digital code）和导航电文（Navigation message），周期数字码又称为伪随机噪声测距码，简称PRN（pseudo-random noise code）码。

卫星导航系统定位的基本原理是单向到达时间测距，简称TOA（Time Of Arrival）原理,接收机通过解调导航信号的电文得到卫星的位置坐标，通过测量导航信号从卫星到接收机的传播时间来测距，以导航卫星为球心，信号传播的距离为半径画球面，用户接收机一定在球面上，当接收机分别测量出与四颗导航卫星之间的距离时，四个球面相交于一个点，即用户接收机的位置坐标，如图1所示。

如果是导航仪，接收机根据位置坐标和数字地图的映射关系，可以把定位结果映射到数字地图上，在显示屏上给出地址信息。

根据不同的应用场景，卫星导航接收机可以设计成多种不同状态，从单频（single-frequency）到多频（multi-frequency）、从单系统（single -constellation）到多系统（multi-constellation）、从专业测量型（survey）到一般车载导航型（automotive applications），设计接收机时还需要考虑信号带宽（signal bandwidth）、信号调制（modulation）、伪码速率（code rate）等技术指标，权衡工作性能（performance）、成本（cost）、功耗（power consumption）以及自主性（autonomy）等要求。

基于软件无线电技术的甚高频指点信标接收机的设计与实现

基于软件无线电技术的甚高频指点信标接收机的设计与实现摘要为满足甚高频指点信标的模块化、数字化和小型化等要求，本文基于软件无线电设计原理，提出了信标功能实现方案，验证了方案的可行性。

关键词甚高频指点信标（VHF marker beacons）；软件无线电；信标功能实现方案前言指点信标是用于航空的一种甚高频无线电信标。

一般与仪表着陆系统配合使用，用于给飞行员提供距离已知着陆点的距离信息。

其工作频率为75MHz，最常用的调制频率为400Hz（代表远台）、1300Hz（代表中台）和3000Hz（代表近台），调制度为95%，它们之间可以用耳听鉴别（频率不同，声音不同），也可以通过信号处理后的频率鉴别指示来识别。

指点信标系统包括地面指点信标台和机载接收设备。

指点信标台在空间垂直方向上辐射“火炬”状的波束，飞机通过其上空时，机载设备就接收到信标台所辐射的信号，由于指点信标台距着陆点距离以及信号覆盖区域在布台时已确定，据此通过信标信号指示，飞行员就知道飞机相对于着陆点大致距离。

甚高频指点信标接收机（简称信标接收机）属于机载设备，通过机载信标天线接收信标地面台发射的信号，完成滤波、增益控制和后续信号处理，识别输出远、中或近台信号，用于飞机进场着陆时距离引导指示。

1 甚高频指点信标接收机的方案设计信标接收机目的是将信标75MHz射频信号（幅度范围：-75dBm～-10dBm）转变为稳定幅度的75MHz信号，之后经过ADC处理变为数字化信标信号，通过软件无线电技术完成信标信号的处理、识别和指示功能[1]。

本论文设计的信标接收机应能实现传统信标接收设备的全部功能，其指标不低于传统信标接收设备的相应指标要求，整体设计方案框图如图1所示，按照功能划分，指点信标接收机可分为模拟信号处理单元和数字信号处理单元（含接口处理）两部分。

1.1 模拟信号处理单元如圖1所示，射频信号由机上天线进入接收机中高低灵敏度匹配电路中，根据上位系统控制，由FPGA产生高低灵敏度控制信号控制其处于高灵敏度状态或低灵敏度状态。

软件无线电在数字化遥测接收机

艺当一，１．ｎ亡一＞．Ｐ县工ｄ工ＪＪ哎弓吕二０
性也不一样。常用窗函数中Ｒｃｎｌ窗加权的滤ｅａｇａｔｕｒ
波器过渡带最窄，通带有起伏，但阻带抑制差。Ｂａｍｎｌｋｅ窗加权的滤波器阻带抑制最好，ｃ但过渡带也最宽。由于实际信号影响因素较多，选用什么类型的窗函数加权性能更好也需要实测结果来确定。３４数字正交解调．
在１Ｍｚ６Ｈ处。由于信号是实信号，一１Ｍ：在６Ｈ处有它的镜像频率。因为在模拟部分进行的是超外差混频，因此在这里实际上一１Ｍｚ６Ｈ处的信号是原始信号的频谱，１Ｍ：在６Ｈ处的信号是原始信号频域反叠的频谱。为在零频得到原始信号的频谱，在这里将信号同１Ｍｚ６Ｈ正交本振相乘。因为信号在时域上同复信号ｅ相乘，｝相当于在频域Ｌ ‘相加。因此同可以得到信号同１Ｍｚ６Ｈ正交本振相乘后的频谱如
时间常数３２信号的采样及正交化
Ｎ．＝Ｒ）２１“ Ｔ（一，
（）１０
在本系统中，０Ｈ中频信号首先以４Ｍｐ１Ｍｚ６８ｓｓ
采样率采集到数字域。下面以本系统传输的最高码
速率２ｂ为例，信号采样及正交化过程。Ｍｐｓ说明如图１）（所示，ａ信号经４Ｍｐ采样后，８ｓ，频谱落
１引言遥测接收系统的发展有两大趋势，一是大型综
合遥测地面接收站，其特点是性能指标优异、功能完
备；另一个是小型化、便携式的遥测接收设备，其特点是体积小，价格低，适用于内场测试、外场测试和小规模遥测接收任务，这也是导弹遥测中非常需要
的设备。

基于软件无线电的一种复杂调制信号解码设计

基于软件无线电的一种复杂调制信号解码设计软件无线电技术的应用已经得到越来越广泛的认可和应用，它可以通过各种软件调制和解调信号，实现对复杂的通信信号的处理和分析。

本文将介绍一种基于软件无线电的复杂调制信号解码设计，该设计可以解决多种调制格式的信号，并通过MATLAB软件进行仿真测试，该设计具有很好的实用价值和推广意义。

一、背景介绍传统的无线电通信技术采用硬件设计的电路结构，难以适应复杂的调制格式、频谱扩展和信号混叠等问题，同时对硬件的特定硬件要求也使得通信设备成本高昂，难以普及。

随着计算机技术的发展和软件无线电技术的应用，通过软件实现信号调制和解调成为了一种新兴的解决方案。

这种方案可以通过软件实现各种调制和解调算法，无需硬件支持，大大降低了通信设备的成本，并且具有更好的灵活性和适应性。

二、技术原理复杂的调制信号解码是软件无线电技术中的一个重要应用，其中涉及到多个调制格式的信号识别和解码。

针对这一问题，本设计采用DVB-S2X卫星电视广播的调制格式为例，采用软件无线电技术进行信号解码，从而实现对复杂调制信号的处理。

DVB-S2X标准是欧洲广播联盟(European Broadcasting Union, EBU)制定的最新的数字卫星电视广播标准，其具有高效、灵活、高质量等诸多优点，是现代数字卫星电视广播的主要技术标准之一。

DVB-S2X卫星电视广播采用的是高阶星座调制技术，包括16APSK、32APSK和64APSK等多种调制格式。

为了实现对DVB-S2X卫星电视广播的信号解码，需要使用MATLAB软件进行仿真测试，主要步骤如下：1. 将接收到的信号通过MATLAB进行解调，获取到解调信号。

2. 对解调信号进行信号处理，包括信号滤波和同步处理等。

3. 对处理后的信号进行分析，包括星座图、FFT谱图等方面的分析，从而获取信号的各个参数。

4. 根据信号的各个参数，进行解码处理，获得指定格式的信息内容。

这样，就可以通过软件无线电技术实现对DVB-S2X卫星电视广播的信号解码，从而实现对复杂调制信号的处理和分析。

基于软件无线电原理ILS信号解调与仿真

幅，两个通道的调幅度相同（（２０ ±１）％），调制后的
信号通过两个水平极化的天线阵发射。为了使驾驶员能够监控ＩＬＳ地面台的工作，在航向信标台发射着陆引导信号功能的统一载频上
亮。指点标信号格式相对简单，具体的解算方法这
关键词：软件无线电；仪表着陆；信号处理；仿真中图分类号：Ｖ３５１．３７文献标识码：Ａ文章编号：１６７４ — ７９７６一（２０１４）０４ — ２５７ — ０４
ＳｉｇｎａｌＤｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｌＬＳＢａｓｅｄｏｎＳｏｆｔｗａｒｅＲａｄｉｏ
飞机进近和着陆设备，能够在气象条件较差的情况
下给驾驶员提供引导。
示的角度值成正比，在这个角锥形之外，指示器满
刻度偏转，这时，指示器的指示只能判断飞机偏离的方向，而不能给出具体的角度。
航向信标与下滑信标原理相同，以下仅以航向
１仪表着陆系统原理及信号特性
仪表着陆包含三个分系统：提供横向引导的航
向信标（１ｏｃａｌｉｚｅｒ）、提供垂直引导的下滑信标（ｇｌｉｄｅｓｌｏｐｅ）和提供距离引导的指点信标（ｍａｒｋｅｒ

卫星导航中信号接收与处理技术研究

卫星导航中信号接收与处理技术研究随着人类社会的发展，对于空间信息的需求也越来越大。

卫星导航成为了现代航空、交通、海洋、能源等领域不可或缺的一部分。

而在卫星导航系统中，信号的接收与处理技术也是至关重要的研究方向之一。

一、卫星导航信号接收技术卫星导航信号的接收需要一定的接收装置，实现信号的抽取、解调和去除噪声等处理过程。

目前主要的接收技术有软件定义接收机和普通接收机。

软件定义接收机是一种基于软件和计算机技术的先进接收设备，具有高度的灵活性和可应用性。

它不仅可以用于不同系统的导航信号接收，而且还具有信号处理和解码能力，能够自主识别信号并进行处理，大大提高了导航系统的可靠性和精度。

与之相比，普通的接收机采用的是固定频率和固定参数的接收方式，无法应对不同系统信号的需求。

而软件定义接收机则可以根据不同系统的信号特点进行动态频率调整和解码参数调整，大大提高了系统的性能和应用性。

二、卫星导航信号处理技术信号处理技术是指对接收到的信号进行分析、解码、纠错等处理过程，以提高导航系统的精度和稳定性。

主要的信号处理技术包括信号解调、频率跟踪、码跟踪和相位锁定等。

信号解调是将接收到的带载波进行去频率化处理，还原出原始模拟信号，为后续的信号处理提供输入基础。

频率跟踪是指通过对接收到的信号进行频率判定和跟踪调整，确保接收机频率与原信号频率匹配。

码跟踪是指对接收到的信号进行码同步和跟踪，以精确还原码序列和相关参数。

相位锁定是指通过对接收到的信号进行相位判定和调整，确保信号相位与原信号相位同步。

这些信号处理技术的应用不仅可以提高卫星导航系统的精度和可靠性，还可以广泛应用于其他领域，如通信、电子信息、海洋探测等方面。

三、未来发展趋势在技术发展的趋势下，卫星导航信号接收与处理技术将向着更加智能化、自主化的方向发展。

未来的卫星导航接收机将会变得更加灵活，拥有更好的接收效果和更高的处理能力。

同时，随着卫星导航系统的不断完善和技术的升级，信号接收技术也将得到更好的发挥和应用。

卫星导航系统信号处理算法

卫星导航系统信号处理算法卫星导航系统是一种利用卫星进行定位、导航和测量的技术。

信号处理算法在卫星导航系统中起着关键作用。

本文将介绍卫星导航系统信号处理算法的工作原理、应用和发展趋势。

首先，我们来了解一下卫星导航系统信号处理算法的工作原理。

卫星导航系统发送的信号包含时间、位置和卫星信息等关键数据。

接收机通过接收卫星信号，并使用信号处理算法来解析这些信息，从而确定接收机的位置、速度和时间。

卫星导航系统信号处理算法通常包括信号跟踪、码和载波解调以及位置解算等步骤。

首先，信号跟踪算法用于对接收到的信号进行跟踪，并提取出码和载波信号。

然后，码和载波解调算法将提取出的信号进行解调，得到码相位和载波相位等信息。

最后，位置解算算法利用解调后的信号以及卫星的位置和时间信息来计算接收机的位置。

卫星导航系统信号处理算法的应用非常广泛。

首先，它被广泛应用于民用定位导航系统，如全球定位系统（GPS）、伽利略导航系统和北斗导航系统等。

这些系统在民航、航海、交通、农业等领域发挥着重要作用。

其次，卫星导航系统信号处理算法也应用于军事领域，用于精确定位和导航。

此外，信号处理算法还用于科学研究、天文学观测等领域。

随着卫星导航系统技术的不断发展，卫星导航系统信号处理算法也在不断进步。

一方面，信号处理算法的精度和鲁棒性得到了提升。

通过采用更先进的数学模型和算法，可以减小信号传输中的误差，并提高定位的准确性。

另一方面，信号处理算法的实时性也得到了改善。

随着计算硬件性能的提升，算法的计算速度得到了大幅提高，从而能够实时地处理大量的信号数据。

此外，卫星导航系统信号处理算法还面临着一些挑战和发展趋势。

首先，室内定位和城市峡谷等特殊环境的定位问题仍然存在。

在这些环境下，卫星信号受到遮挡和多路径效应的影响，导致定位的精度下降。

因此，需要进一步研究和改进信号处理算法，以适应这些特殊环境下的定位需求。

其次，卫星导航系统信号处理算法还可以结合其他传感技术，如惯性导航系统和地面传感器等，来提高定位的精度和稳定性。

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基于软件无线电原理导航接收机信号解算张建明(中国电子科技集团公司第二十研究所,陕西西安710068)摘　要　简要介绍了导航系统的功能及信号特性,应用软件无线电理论进行了接收机设计,特别对信号解算过程做了重点论述,其中包括数字中频采样、数字下变频、载波恢复与跟踪、帧同步信号的提取和幅度解调等。

根据理论分析进行了计算机仿真,对具有一定频偏及加有噪声的中频信号采样,解调出基带信号,得到所需的数据信息和角度信息,同时对影响角度解调精度的因素做了简要分析,为接收机的设计和参数的选取提供了依据。

关键词　软件无线电;接收机;信号处理;仿真中图分类号　T N71315 文献标识码　A 文章编号　1003-3106(2011)04-0034-03N avigation R eceiver Signal R esolution B ased on Softw are R adioZH ANGJian 2ming(The 20th Research Institute o f CETC ,Xi ’an Shannxi 710068,China )Abstract The functions and signal characteristics of navigation system are described.A design based on s oftware radio theory is presented ,and the process of signal res olution is particularly described ,including IF sampling ,DDC (Digital D own C onversion ),carrier recovery and tracking ,frame synchronization signal extraction and amplitude dem odulation ,etc.The system is simulated by M AT LAB s oftware.By sampling the IF signal with certain frequency offset and noise ,baseband signal is obtained after dem odulation ,and the data in formation and angle in formation are obtained.At the same time ,factors affecting the accuracy of angle dem odulation are analyzed ,which provides a basis for the design and parameter selection of receiver.K ey w ords s oftware radio ;receiver ;signal processing ;simulation收稿日期:20112012100　引言针对导航系统的特性,采用软件无线电原理进行了接收机的设计,该接收机的主要功能是完成导航系统角度参数及数据信息的解算,为飞机提供实时准确的引导信号。

软件无线电技术是现代通信技术及信号处理中重要的研究领域,其核心思想是将天线接收到的射频信号尽可能数字化,将模拟信号变换成适合于数字信号处理的数据流,然后通过软件算法来完成各种功能。

由于具有良好的开放性和可编程性,采用软件无线电原理对接收机进行了设计,并且对设计过程进行了仿真。

1　系统功能及信号特性系统分为地面设备和机载设备,地面设备由方位制导设备、仰角制导设备和基本数据传送系统组成。

数据传输系统向飞机提供用于精密进近和着陆的必要基本数据和辅助数据信息。

基本数据包括地面设备识别、信号覆盖范围、可用最低下滑道、设备性能级别和所用频道等与着陆有关的数据,而辅助数据一般包括地面设备的安装状况、航空气象情报、跑道状况和其他辅助信息。

系统工作频率为C 波段,分为200个波道,波道间隔为300kH z 。

地面台信号的发射采用了时分多路复用技术,全部角度制导信息和数据都在同一频率上发射,不同功能的信号都占有自己的发射时隙,在每个发射时隙前部用差动相移键控(DPSK )调制的前导码来区分不同的模块。

下面以角度制导功能为例说明信号特性,角度制导功能包括前导信号、扇区信号和“往”、“返”扫描波束等部分组成。

①前导信号。

前导信号包括3个部分:载波截获段、接收机基准时间码和功能识别码,全部信号在±42°(对于高速方位制导功能)的比例覆盖区中发射,载波截获段中有段同步头,它是一段未经调制的纯载波,接着是用差分相移键控(DPSK )调制的编码。

差分相移键控是利用前后码元之间载波相位的相对变化来传递信息的一种编码方式。

接收机基准时间码即同步码,采用5位Barker 码,其固定形式为11101,其功能是使接收机在每个功能段都产生一个基准时间,各个功能格式中的其他码均严格按照基测控遥感与导航定位34　2011R adio E ngineering V o1141N o 14准时间而产生;②扇区信号。

对于不同的功能来说,扇区信号的内容也有所不同,对方位制导功能而言,由机载天线选择脉冲、覆盖区外指示(OCI )信号和接收处理器检查脉冲组成;③扫描波束。

地面台天线产生一个方向较窄的扇形波束,在比例覆盖区内进行往返扫描,通过接收机得到一对“往”、“返”扫描脉冲,用于角度的测量。

对方位台而言,扫描波束在水平范围内顺时针和逆时针扫描,对仰角台则相对于向上和向下扫描。

2　基于软件无线电接收电路的设计2.1　电路组成本电路主要由射频接收前端、中频电路、数据解调、幅度解调模块和信号处理等模块组成。

接收机原理框图如图1所示。

图1　接收机原理天线接收到的地面设备发射信号,经低噪声放大和混频等电路后,把C 波段信号下变频为一固定频率的中频信号,中频信号经过A/D 采样电路变为数字信号。

采样后的数字信号经带通滤波处理后分2路输出,一路信号通过DDC 数字下变频后进行DPSK 数据的解调,输出帧同步信号和基本数据字及辅助数据字,另一路信号进行AM 幅度解调,解调出信号包络,最后通过信号处理模块,解算出所需要的角度信息。

2.2　采样频率的确定中频直接采样后的信号频谱是原信号频谱以采样速率f s 为周期的延拓。

为了使频谱不重叠,则信号作周期延拓时应满足一定的条件。

对于本接收机来说,中频频率f 0=70MH z ,信号带宽BW =120kH z ,根据带通采样定理,选取采样频率f s =40MH z 。

2.3　数字下变频及抽取电路对A/D 采样后的数字信号先进行带通滤波,经过数字下变频(DDC ),一路进行数字信号解调,另一路进行幅度解调。

数字下变频技术是软件无线电的核心技术之一,其根本任务是实现从高数字中频到低数字中频或基带信号的变换。

A/D 数字化后的中频信号与数字本振cos (ω0n )相乘,经过滤波处理,从而实现了将信号由高中频搬到低中频或基带的变频功能。

带通滤波后的信号下变频为800kH z 信号,为了减小后续数字信号的处理压力,对采样率为40MH z 的800kH z 信号进行抽取。

2.4　数字信号的解调数字信号解调相对比较复杂,包括载波恢复与跟踪、帧同步信号的提取、相干解调和数据信号的抽样判决等电路。

2.4.1　载波恢复与跟踪载波提取有平方环和costas 锁相环等几种,平方环的工作频率是载波频率的2倍,当工作频率较高时,平方环法不易实现。

这里采用数字costas 锁相环技术实现载波恢复与跟踪,并且根据环路锁定时间、环路带宽和采样频率等参数可设计出所需要的环路滤波器。

costas 环原理框图如图2所示。

图2　costas 环原理2.4.2　相干解调及码变换解调器的任务是恢复出传输的原始信息,在DPSK 编码中,数字信息是用前后码元已调信号的相位变化来表示的,在输入相同信噪比的情况下,虽然相干解调比非相干解调实现起来相对复杂一些,但相干解调的误码率比非相干解调的误码率要低,为了尽可能提高系统的测试精度,在设计中采用相干解调方式来实现DPSK 信号的解调。

2.4.3　帧同步信号的提取为保证数字解调和后续信号处理,必须有一个同步系统。

在本系统中,采用5位巴克码实现每一功能段的同步。

巴克码组具有尖锐单峰特性的自相关函数,在求它的自相关函数时,除了在时延j =0的情况下,序列中的全部元素都参加相关运算外,在j ≠0的情况下,序列中只有部分元素参加相关运算,其表达式为:R (j )=∑n -1i =1x i x i +j 。

巴克码识别器输出同步脉冲表示一帧的开始,测控遥感与导航定位2011年无线电工程第41卷第4期35　作为每一功能段的同步信号。

2.5　幅度解调为了保证解调的效果,幅度解调采用数字正交解调的方法,这种方法具有较强的抗载频失配能力,即参考信号与输入信号载波之间允许有一定程度的偏差,并且不要求严格的同频同相。

设输入信号为:S(n)=A(n)cos(ωc n+<0)。

式中,A(n)=A0+m(n),m(n)为幅度调制信号。

对信号正交分解后的同相分量和正交分量取模得:A0+m(n),减去直流分量A0就可得调制信号m(n)。

2.6　角度的测量角度的测量基于时基扫描波束技术,接收机在接收到“往”扫和“返”扫2次扫描波束后,测定其时间差,这个时间差值的大小与飞机在空中相对于跑道的角位置有直接关系,由此得到飞机在空中的角位置。

θ=T0-t2·v。

式中,θ为方位(或仰角)制导角度值(°);t为任意进近角时飞机接收到“往”和“返”脉冲之间的时间差; T0为以零角度进近飞机时接收到“往”和“返”脉冲之间的时间差;v为波束扫描速率,这里为20000°/s。

以高速方位为例,此时最大扫描角度为-42°～+42°,往返扫描2次经过中心0°之间的时间T0= 4.8ms,则θ=(4.800-t)2·20=10·(4.800-t)(°)。

3　MAT LAB仿真试验为了分析系统解调的性能及角度解算的精度,采用M AT LAB语言对信号解算进行系统仿真,仿真分为模拟信号的产生、中频采样、数字下变频及信号抽取、数据解调、幅度解调、角度信息解算等几部分。

3.1　信号的产生模拟信号为:signal(n)=am(n)3cos(2π·f c·n/f s+φ)。

式中,数字中频f c=70MH z±2kH z;采样频率f s= 40MH z;φ为产生的随机相位;am(n)为基带幅度调制信号。