使用NI PXI的高速记录功能开发以软件为架构的GNSS接收器

使用NI PXI的高速记录功能开发以软件为架构的GNSS接收器

图1.我们使用NI PXIe-1075机箱、多个PXI-5661矢量信号分析仪、HDD-8264 12组RAID阵列以及LabVIEW软件，同时从多个频段传输数据。

图2. GNSS 前端概览

"我们运用具有可配置性与高速流盘性能的矢量信号分析仪，收集所有可用的GNSS信号，并期望它能用在今后的信号上。"

- Mark Petovello, University of Calgary 

挑战:

开发功能强大、灵活度高，以软件为构架的全球导航卫星系统(GNSS)接收器，能采集、追踪并记录多方的GNSS信号，其无线电频率带宽可高达20 MHz。 

解决方案:

使用NI模块化仪器、射频矢量信号分析仪与高速信号存储设备，开发灵活、可移动及可配置的GNSS接收器，可以传输、存储射频信号。 

在当今社会，将GPS作为定位系统已日渐普遍，如：车辆内置导航系统、手机定位功能等，而GPS接收器在娱乐方面的使用量也逐步增多。虽然GPS是目前全球唯一的GNSS系统，但在俄罗斯、欧洲、中国、日本和印度等地，也已经开发或添加了其他相关系统。而GPS也不断精益求精，改善系统的性能。表1整理了3个卫星系统免费提供的信号：（还有一些其他的信号，但访问有所限制）。

GNSS	信号	中心频率(MHz)	最小带宽(MHz)
GPS (美国)	L1 C/A	1,575.42	2
	L1C	1,575.42	2
	L2C	1,227.60	2
	L5	1,176.45	20
GLONASS (俄罗斯)	L1	1,602.00	20
	L2	1,246.00	20
Galileo (欧盟)	E1	1,575.42	4
	E5a	1,176.45	20
	E5b	1,207.14	20

表1. 免费GNSS信号一览表

从新系统大量传出的有效信号，提供了改善定位准确度和可信度的绝佳机会。然而，这也意味着GNSS接收器必须取得并追踪这些信号。再者，随着消费者需求的增加，这些接收器必须在树下和室内等更复杂的执行环境下运作。

卡尔加里大学的定位与航行学术会议 (PLAN) 小组，开发以软件为构架的GNSS接收器，导航本质上相当于软件定义的无线电 (SDR)。 但是，“前端”能从无线电频率降频转换GNSS信号，约在1.2至1.6 GHz到数十兆赫兹的等级；这样的采样方法，并不适用于市面上所有的信号。此外，对于以研发为目的所取得的样本需存储在磁盘中，以便后续处理与分析。最后，我们需要占用最小为2 MHz和最大为20 MHz的带宽处理信号的所有功能。最大的信号带宽与对应的采样速度，都呈现出很大的挑战性，而在信息存储方面尤其困难。

我们最初在前端所使用的硬件系统，灵活性不够高，也呈现出下列种种配置上的问题：

• 灵活性不高的硬件只能在某些频宽进行采样

• 高速信号存储需要特殊的设备，不方便执行信号传输

• 固定的前端采样速度 (与对应的信号带宽)

• 固定的采样量化

由于这些配置上的限制，我们需要更强大且具灵活性的解决方案。

使用NI工具开发灵活的解决方案

NI矢量信号分析仪设备提供灵活、可移动且可配置选项等优势，以采集射频采样信号。NI系统还提供可配置的频率、带宽与采样率，选择的位数可量化信号，同时具有足够的数据传输能力将数据记录至文件。

我们初始化的系统包含下列元件：

• NI PXIe-1065机箱

• NI PXI-5690双通道射频前置放大器

• 3个NI PXI-5661 2.7 GHz矢量信号分析仪，256 MB ，包含实时流盘

• NI HDD-826412组RAID阵列(含控制器)执行数据传输

• NI LabVIEW图形化系统设计软件

系统运作正常，也符合我们大部分的需求。当需要从多频带同步传输数据时，我们已采购第二部分包含下列组件的单位系统：

• NI PXIe-1075机箱

• PXI-5690双通道射频前置放大器

• 2个NI PXI-5600射频降频转换器，20 MHz频宽

• 2个NI PXIe-5622,16位,150 MS/s示波器，包含64 MB板载内存

• NI HDD-8264 12组RAID阵列(含控制器)执行数据传输

• LabVIEW图形化系统设计软件

NI PXI Express机箱与示波器，提高PXI机箱数据流的传输能力。

我们成功地建立与测试信号采集，并追踪表1所列出的信号运算法则。我们研发小组也常使用软件接收器，开发新信号的采集与追踪信号的运算法则，以改善GNSS在荒野区的定位和厘米级的精确度。

NI 支持

NI当地的销售代表对我们的项目提供了很多的帮助，并且很用心地帮助我们获取所需的信息和技术演示设备。在采购方面，NI技术人员也提供了高品质的服务，并及时答复所有询问。  

加拿大卡尔加里大学的PLAN小组，成功地使用NI矢量信号分析仪硬件，促进了软件定义的GNSS接收器测试。我们运用具有可配置性与高速流盘性能的矢量信号分析仪，收集所有可用的GNSS信号，并期望它能用在今后的信号上。