本發(fā)明涉及一種電力線通信的實時衛(wèi)星信號模擬器及模擬方法,屬于衛(wèi)星導航技術領域。

背景技術：

衛(wèi)星信號轉發(fā)站已經廣泛應用，但是在抗干擾接收機測試時，由于轉發(fā)站輸出的信號比較強，經常會被當作干擾抑制掉，從而導致無法正常收星。而且，轉發(fā)站室內和室外數據通信是通過射頻電纜連接，射頻電纜存在價格高、重量重、鋪設困難等缺點，尤其是傳輸距離比較遠的情況。因此，采用什么措施轉發(fā)衛(wèi)星信號，實現遠距離傳輸，以及應對抗干擾接收機測試的場景，是衛(wèi)星信號模擬器的重要功能。

技術實現要素：

本發(fā)明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種電力線通信的實時衛(wèi)星信號模擬器及模擬方法,能夠實現將室外衛(wèi)星信號轉入室內，尤其是實現長距離實時轉發(fā)。而且面對抗干擾接收機測試時，轉發(fā)的衛(wèi)星信號能夠使接收機正常定位，而不是被當作干擾抑制掉。

本發(fā)明的技術解決方案是：

一種電力線通信的實時衛(wèi)星信號模擬器，包括：室外信號處理模塊、室內信號處理模塊以及連接室外信號處理模塊和室內信號處理模塊的電力線；

室外信號處理模塊接收衛(wèi)星信號并進行處理，處理后的信號通過電力線傳輸給室內信號處理模塊，室內信號處理模塊生成衛(wèi)星信號并提供給待測接收機。

所述室外信號處理模塊包括接收模塊、寬帶載波調制模塊和網絡傳輸模塊；

放置在室外的接收模塊將接收到的衛(wèi)星信號轉換成數字中頻信號并提供給網絡傳輸模塊，網絡傳輸模塊將所述數字中頻信號轉換成網絡信號，最后通過寬帶載波調制模塊進行信號調制，并通過電力線輸出。

所述接收模塊包括放大模塊、第一濾波模塊、下變頻模塊、第二濾波模塊、模數轉換模塊、數據緩存模塊和數據組包模塊；

接收模塊接收到的衛(wèi)星信號先通過放大模塊和第一濾波模塊進行放大濾波，再通過下變頻模塊將放大濾波后的衛(wèi)星信號轉換成模擬中頻信號，第二濾波模塊對所述模擬中頻信號進行濾波，再通過模數轉換模塊轉換成數字中頻信號，數據緩存模塊將輸入到其中的數字中頻信號進行并行到串行的轉換，以降低數據率，生成的串行數字中頻信號通過數據組包模塊進行組包處理后輸出。

數據緩存模塊和數據組包模塊通過fpga實現。

所述網絡傳輸模塊包括組幀模塊和轉換模塊，接收模塊輸出的數字中頻信號先通過組幀模塊進行組幀，生成的數據幀通過轉換模塊轉換為網絡信號，并通過網線傳輸給寬帶載波調制模塊。

組幀模塊通過fpga實現。

衛(wèi)星信號為模擬射頻信號，包括gps、glonass和北斗三個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號。

室內信號處理模塊包括寬帶載波解調模塊、網絡接收模塊、解調調制模塊、射頻模塊和發(fā)射模塊；

室外信號處理模塊通過電力線輸出的信號先通過寬帶載波解調模塊進行解調，生成網絡信號并通過網線傳輸給網絡接收模塊，網絡接收模塊處理后生成數字中頻信號并提供給解調調制模塊，解調調制模塊對數字中頻信號進行解調調制處理，提高信噪比，生成的模擬中頻信號經過射頻模塊進行上變頻和濾波之后，最終通過發(fā)射模塊輸出射頻信號給待測接收機。

所述網絡接收模塊包括逆轉換模塊和解幀模塊，網絡信號先通過逆轉換模塊轉換為數據幀，再通過解幀模塊轉換為數字中頻信號。

所述解調調制模塊數據解包模塊、數據提取模塊、通道分配模塊、捕獲跟蹤模塊、解調模塊、調制模塊、功率綜合模塊以及數模轉換模塊；

網絡接收模塊輸出的數字中頻信號先通過數據解包模塊進行解包處理，生成串行的數字中頻信號，然后通過數據提取模塊將串行的數字中頻信號根據衛(wèi)星導航系統(tǒng)類別進行數據提取，將提取后的數據通過通道分配模塊進行通道分配，各個通道根據捕獲參數通過捕獲跟蹤模塊進行捕獲和跟蹤，根據跟蹤結果通過解調模塊對數字中頻信號進行解調處理，生成基帶信號，對解調后的基帶信號通過調制模塊進行再次調制，生成數字中頻信號，功率綜合模塊根據各通道的跟蹤狀態(tài)對數字中頻信號進行功率合成，合成后的數字中頻信號通過數模轉換模塊轉換為模擬中頻信號并輸出給射頻模塊。

連接室外信號處理模塊和室內信號處理模塊的電力線的長度最長可達200m。

一種衛(wèi)星信號模擬方法，步驟如下：

(1)對衛(wèi)星信號進行放大濾波，再轉換成模擬中頻信號，對所述模擬中頻信號進行濾波，再轉換成數字中頻信號，對所述數字中頻信號進行并行到串行的轉換，以降低數據率，生成的串行數字中頻信號進行組包處理后輸出；

(2)對步驟(1)組包處理后的輸出信號進行組幀，將生成的數據幀轉轉換為網絡信號，并通過網線輸出；

(3)對于步驟(2)中網線輸出的信號，進行ofdm調制，之后通過電力線輸出；

(4)對步驟(3)中電力線輸出的信號進行解調，生成網絡信號；

(5)將步驟(4)中生成的網絡信號轉換為數字中頻信號，并進行解調調制處理，以提高信噪比；

(6)對經過解調調制生成的模擬中頻信號進行上變頻和濾波之后，最終輸出射頻信號給待測接收機，從而完成衛(wèi)星信號的模擬。

所述步驟(5)進行解調調制處理，具體為：

對數字中頻信號先進行解包處理，生成串行的數字中頻信號，然后將串行的數字中頻信號根據衛(wèi)星導航系統(tǒng)類別進行數據提取，將提取后的數據進行通道分配，各個通道根據捕獲參數通過捕獲跟蹤模塊進行捕獲和跟蹤，根據跟蹤結果對數字中頻信號進行解調處理，生成基帶信號，對解調后的基帶信號進行再次調制，生成數字中頻信號，根據各通道的跟蹤狀態(tài)對數字中頻信號進行功率合成，合成后的數字中頻信號轉換為模擬中頻信號并輸出。

本發(fā)明與現有技術相比的有益效果是：

(1)高信噪比。被抗干擾抑制后，信號強度依然高于噪底，能夠被抗干擾接收機正常接收和定位；

(2)實時轉發(fā)衛(wèi)星信號。通過高速數據傳輸以及解調、解擴、擴頻和調制處理，將室外的衛(wèi)星信號實時傳入室內，供室內衛(wèi)星導航接收機接收使用；

(3)遠距離傳輸。傳輸距離范圍0～200m，實現了遠距離傳輸；

(4)電力線輕便、柔軟，易于鋪設。傳統(tǒng)衛(wèi)星信號轉發(fā)站使用射頻電纜進行遠距離傳輸，為了降低損耗，射頻電纜會又粗又重，且硬度較高，鋪設困難。而模擬器采用電力線傳輸的是數字量，不用擔心信號衰減的問題，且又實現了信號高速傳輸，同時電力線輕便、柔軟，易于搬運和鋪設。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)架構示意圖；

圖2為衛(wèi)星信號強度示意圖，其中，圖2(a)為室外衛(wèi)星信號強度示意圖，圖2(b)為模擬器轉發(fā)后衛(wèi)星信號強度示意圖，圖2(c)為抗干擾抑制后衛(wèi)星信號強度示意圖；

圖3為本發(fā)明接收模塊結構圖；

圖4為本發(fā)明解調與調制模塊結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行進一步的詳細描述。

本發(fā)明采用正交頻分復用的電力線調制技術，利用電力線替代射頻電纜，完成信息遠距離傳輸，實現衛(wèi)星信號由室外轉發(fā)進入室內。此外，利用將信號解擴、解調后，再重新進行擴頻和調制的再生技術。

如圖1所示，本發(fā)明提出了一種電力線通信的實時衛(wèi)星信號模擬器，包括：室外信號處理模塊、室內信號處理模塊以及連接室外信號處理模塊和室內信號處理模塊的電力線；

室外信號處理模塊接收衛(wèi)星信號并進行處理，處理后的信號通過電力線傳輸給室內信號處理模塊，室內信號處理模塊生成衛(wèi)星信號并提供給待測接收機。

如圖1所示，室外信號處理模塊包括接收模塊、寬帶載波調制模塊和網絡傳輸模塊；

放置在室外的接收模塊將接收到的衛(wèi)星信號轉換成數字中頻信號并提供給網絡傳輸模塊，網絡傳輸模塊將所述數字中頻信號轉換成網絡信號，最后通過寬帶載波調制模塊進行信號調制，并通過電力線輸出。

接收模塊模數轉換后的數據是三個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的信號，而且是并行的數據，直接傳輸會導致數據率太高，需要將并行的中頻信號轉為串行的中頻信號，降低數據率。此外，由于中頻信號數據量大，且要實時轉發(fā)信號，傳輸過程不能丟失數據，如果丟失數據，會導致被測接收機定位異常。這就要求通過網絡模塊將中頻信號轉換為網絡信號，使用千兆網將網絡信號傳入寬帶載波調制解調模塊。高速的網絡信號傳輸確保了中頻數據被及時傳輸，不會被覆蓋，導致數據丟失。寬帶載波調制模塊是采用正交頻分復用

(ofdm)技術，把高速數據流分散到許多正交的子載波上傳輸，從而使得子載波上的符號速率大幅度降低，其允許子載波頻譜部分重疊，大大提高了頻譜效率。

接收模塊包括放大模塊、第一濾波模塊、下變頻模塊、第二濾波模塊、模數轉換模塊、數據緩存模塊和數據組包模塊；

如圖3所示，接收模塊接收到的衛(wèi)星信號先通過放大模塊和第一濾波模塊進行放大濾波，再通過下變頻模塊將放大濾波后的衛(wèi)星信號轉換成模擬中頻信號，第二濾波模塊對所述模擬中頻信號進行濾波，再通過模數轉換模塊轉換成數字中頻信號，數據緩存模塊將輸入到其中的數字中頻信號進行并行到串行的轉換，以降低數據率，生成的串行數字中頻信號通過數據組包模塊進行組包處理后輸出。

數據緩存模塊和數據組包模塊通過fpga實現，組幀模塊通過fpga實現。

網絡傳輸模塊包括組幀模塊和轉換模塊，接收模塊輸出的數字中頻信號先發(fā)送給組幀模塊，按照axi4協(xié)議給到mac層，mac層對數據進行組幀，生成的數據幀通過轉換模塊轉換為網絡信號，并通過網線傳輸給寬帶載波調制模塊。

衛(wèi)星信號為模擬射頻信號，包括gps、glonass和北斗三個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號。

如圖1所示，室內信號處理模塊包括寬帶載波解調模塊、網絡接收模塊、解調調制模塊、射頻模塊和發(fā)射模塊；

室外信號處理模塊通過電力線輸出的信號先通過寬帶載波解調模塊進行解調，生成網絡信號并通過網線傳輸給網絡接收模塊，網絡接收模塊處理后生成數字中頻信號并提供給解調調制模塊，解調調制模塊對數字中頻信號進行解調調制處理，提高信噪比，生成的模擬中頻信號經過射頻模塊進行上變頻和濾波，并進行功率放大之后，最終通過發(fā)射模塊輸出射頻信號給待測接收機，實現了衛(wèi)星信號由室外輸出到室內，以供室內的導航接收機使用。

網絡接收模塊包括逆轉換模塊和解幀模塊，網絡信號先通過逆轉換模塊轉換為數據幀，再通過解幀模塊轉換為數字中頻信號。

解調調制模塊是核心模塊，需要對中頻信號進行解調、解擴、位同步和幀同步，得到基帶信號，所述基帶信號為衛(wèi)星的數據碼。得到數據碼后，再根據不同衛(wèi)星導航系統(tǒng)的類別選擇擴頻碼，對其進行擴頻和載波調制，生成中頻信號。在進行載波調制的時候，要考慮兩個方面，一是各個衛(wèi)星的多普勒頻率，這個由跟蹤過程獲取，確保衛(wèi)星信號真實；二是要依據不同衛(wèi)星導航系統(tǒng)的射頻頻率進行調制頻率選擇，使得中頻信號經過射頻模塊的上變頻后達到正確的射頻頻率。經過解調、解擴、再擴頻和再調制后，各個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的信號功率在噪聲之上，這樣不僅提高了衛(wèi)星信號的信噪比，也確保了衛(wèi)星信號的真實信息。在進行數模轉換之前，要將中頻信號合成一路信號，因此根據每個通道的跟蹤結果，進行功率綜合，并對其進行自動增益控制。這樣可以剔除跟蹤失敗的通道，降低信號的噪聲，同時保證信號輸出功率穩(wěn)定。解調調制模塊輸出的模擬中頻信號要上變頻到各個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的頻點，

解調調制模塊數據解包模塊、數據提取模塊、通道分配模塊、捕獲跟蹤模塊、解調模塊、調制模塊、功率綜合模塊以及數模轉換模塊；

如圖4所示，網絡接收模塊輸出的數字中頻信號先通過數據解包模塊進行解包處理，生成串行的數字中頻信號，然后通過數據提取模塊將串行的數字中頻信號根據衛(wèi)星導航系統(tǒng)類別進行數據提取，將提取后的數據通過通道分配模塊進行通道分配，各個通道根據捕獲參數通過捕獲跟蹤模塊進行捕獲和跟蹤，根據跟蹤結果通過解調模塊對數字中頻信號進行解調處理，生成基帶信號，對解調后的基帶信號通過調制模塊進行再次調制，生成數字中頻信號，功率綜合模塊根據各通道的跟蹤狀態(tài)對數字中頻信號進行功率合成，合成后的數字中頻信號通過數模轉換模塊轉換為模擬中頻信號并輸出給射頻模塊。

在本發(fā)明中，電力線不僅實現衛(wèi)星信號傳輸，而且實現供電傳輸。放在室外的各個模塊由室內的電源通過電力線供電。

基于上述衛(wèi)星信號模擬系統(tǒng)，本發(fā)明還提出了一種基于衛(wèi)星信號模擬方法，步驟如下：

(1)對衛(wèi)星信號進行放大濾波，再轉換成模擬中頻信號，對所述模擬中頻信號進行濾波，再轉換成數字中頻信號，對所述數字中頻信號進行并行到串行的轉換，以降低數據率，生成的串行數字中頻信號進行組包處理后輸出；

(2)對步驟(1)組包處理后的輸出信號進行組幀，將生成的數據幀轉轉換為網絡信號，并通過網線輸出；

(3)對于步驟(2)中網線輸出的信號，進行ofdm調制，之后通過電力線輸出；

(4)對步驟(3)中電力線輸出的信號進行解調，生成網絡信號；

(5)將步驟(4)中生成的網絡信號轉換為數字中頻信號，并進行解調調制處理，以提高信噪比；具體為：

對數字中頻信號先進行解包處理，生成串行的數字中頻信號，然后將串行的數字中頻信號根據衛(wèi)星導航系統(tǒng)類別進行數據提取，將提取后的數據進行通道分配，各個通道根據捕獲參數通過捕獲跟蹤模塊進行捕獲和跟蹤，根據跟蹤結果得到的中頻頻率和擴頻碼對數字中頻信號進行解調和解擴處理，得到原始數據碼，然后對原始數據碼進行再次載波調制和擴頻，生成數字中頻信號，根據各通道的跟蹤狀態(tài)對數字中頻信號進行功率合成，合成后的數字中頻信號轉換為模擬中頻信號并輸出。

(6)對經過解調調制生成的模擬中頻信號進行上變頻和濾波之后，最終輸出射頻信號給待測接收機，從而完成衛(wèi)星信號的模擬。

下面一個具體實施例對本發(fā)明的工作過程和工作原理做進一步解釋和說明：

以gps衛(wèi)星信號為例。gps衛(wèi)星信號l1頻點信號的頻率為1575.42mhz，室外的接收模塊接收衛(wèi)星信號，并對衛(wèi)星信號進行放大、第一濾波、下變頻和第二濾波，衛(wèi)星信號頻率降為4.092mhz的模擬中頻信號，然后對4.092mhz的模擬中頻信號進行模數轉換，采樣頻率為16.368mhz，位寬為4位。由gpsl1頻點信號的帶寬2.046mhz可知，16.368mhz的采樣頻率滿足奈奎斯特采樣定理。進過采樣后，數據率為16.368mhz，位寬為4位，當衛(wèi)星信號里還有北斗b1頻點、b3頻點和glonassg1頻點的信號時，就會出現4組位寬為4位，數據率為16.368mhz，這樣的信號數據率為16.368*4*4＝130.944mhz，數據率太高，不利于后續(xù)模塊傳輸數據，因此通過串并轉換，將并行的4組4位數據轉化成一組串行的16位數據，這樣數據率依然為16.368mhz。然后對數據以256為單位進行組包，組包后的數字中頻信號發(fā)送到網絡傳輸模塊。

為了確保數據高速傳輸，組幀模塊的mac層速率配置成1000mhz傳輸速率，同時轉換模塊的mdio芯片將phy芯片配置成1000mhz。組幀模塊的mac層以rgmii協(xié)議為基準進行組幀。組幀后的數據發(fā)送到轉換模塊的phy芯片，該芯片將數據進行處理后發(fā)送到rj45接口，然后通過網線發(fā)送到寬帶載波調制模塊。寬帶載波模塊通過ofdm調制技術將數據處理后輸出到電力線上，電力線的長度為200m。

室內的寬帶載波解調模塊接收到電力線的信號后，對信號進行處理，處理后將信號通過網線傳輸到網絡接收模塊。通過逆轉換模塊的rj45接口接收信號，并通過phy芯片進行數據處理。處理后的數據發(fā)送到解幀模塊的mac層根據rgmii協(xié)議進行解幀處理，解幀后的數據發(fā)送到調制解調模塊。

解幀后的數據先通過解包模塊進行處理，將數據傳輸到解包模塊的ram中，然后以65.472mhz的時鐘將數據從ram中讀出，輸入到解包模塊的異步fifo中，然后提取模塊采用16.368mhz的時鐘從fifo中讀取數據，這樣保證與室外接收的數據寫入同步，從而實現數據的連續(xù)性。然后通道分配模塊對數據進行通道分配，然后dsp芯片對每個通道配置捕獲參數，開始進行捕獲。捕獲成功后，通道轉入跟蹤狀態(tài)，并進行位同步和幀同步。這樣就實現了對gps衛(wèi)星信號的解擴和解調，得到gps衛(wèi)星信號的數據碼。然后對數據碼進行擴頻和載波調制，載波調制的基準頻率為15.58mhz。由于不同的gps衛(wèi)星傳輸到地面后產生不同的多普勒頻率和偽碼相位。因此在載波調制時，不同的衛(wèi)星調制的頻率不同，要加上各自的多普勒頻率。在擴頻時也要以各自的碼相位為基準進行偽碼調制。多普勒頻率和碼相位由捕獲跟蹤模塊的載波環(huán)和碼環(huán)得到。重新擴頻和調制后的gps衛(wèi)星信號提高了信號功率，室外時衛(wèi)星信號淹沒在噪聲中，信號功率為-130dbm，如圖2(a)所示，重新擴頻和調制后，衛(wèi)星信號的信號功率為-15dbm，高于噪聲，如圖2(b)所示，這就提高了衛(wèi)星信號的信噪比。在經過抗干擾抑制后，信號功率下降到-100dbm左右，但是依然高于噪聲，如圖2(c)所示。重新擴頻和調制后的gps衛(wèi)星信號為12個通道，在進行數模轉換之前要通過功率綜合模塊合成一路信號。但是不能直接將12個通道合成，如果有通道沒有跟蹤上衛(wèi)星，那該通道就是噪聲信號，將其加上后，會使合成后信號的噪聲功率變高，因此要根據每個通道的跟蹤標志進行合成，剔除掉跟蹤失敗的通道，并對信號功率進行自動增益控制。合成后的信號通過數模轉換將數字中頻信號變?yōu)槟M中頻信號，輸出到射頻模塊。

輸出到射頻模塊的模擬中頻信號與1591mhz的射頻信號進行混頻，將模擬中頻信號上變頻到1575.42mhz的射頻信號。然后進行濾波，并經過2w的功放芯片進行功率放大后輸出到發(fā)射模塊，經發(fā)射模塊輸出后供被測接收機進行gps衛(wèi)星導航測試使用。

本發(fā)明未詳細說明部分屬本領域技術人員公知常識。