GPS/北斗中頻信號采集系統(tǒng)設計及其捕獲算法研究

作者 韓曉冰 高夢1,2 汪金萍1,2 1.西安科技大學 通信與信息工程學院(陜西 西安 710054)　2.西安北斗安全技術有限公司(陜西 西安 710100)

　　韓曉冰(1968—)，男，陜西西安人，教授，從事無線通信與無線檢測的研究;高夢(1993-)女，陜西西安，學生，碩士，電子與通信工程;汪金萍(1991-)女，甘肅白銀，學生，碩士，通信與信息系統(tǒng)。

摘要：本文使用MAX2769芯片設計射頻前端，將衛(wèi)星射頻信號下變頻到數(shù)字中頻;以FPGA+USB3.0的高速數(shù)據(jù)采集平臺為核心，采用FPGA芯片作為主處理器，控制射頻與USB接口芯片，完成數(shù)據(jù)傳輸和存儲，實現(xiàn)多種衛(wèi)星中頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計。利用已采集好的衛(wèi)星信號中頻數(shù)據(jù),在MATLAB平臺進行編程仿真，研究了基于FFT的信號捕獲算法，能夠同時處理GPS和北斗兩種系統(tǒng)的中頻數(shù)據(jù)并實現(xiàn)信號捕獲。通過編寫FPGA傳輸數(shù)據(jù)的Verilog程序、USB設備的固件程序、上位機程序，給出了系統(tǒng)硬件結構以及軟件算法流程，實現(xiàn)中頻數(shù)據(jù)的接收、傳輸和保存，仿真驗證了信號捕獲過程，給出捕獲結果。實驗結果表明，該GPSBD雙模中頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠滿足后續(xù)定位處理要求，可以被應用于一切基于位置服務(LBS)的應用場景中。

0 引言

　　隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GNSS的建成和完善，在不久的將來用戶將收到越來越多的衛(wèi)星導航信號，多模接收機是一個必然的趨勢^[1]，GPS是美國研發(fā)的全球定位導航系統(tǒng)，發(fā)展最為成熟并在全球范圍內得到廣泛使用，隨著對GPS軟件接收機進行深入的研究，為我國自主創(chuàng)新的COMPASS北斗導航系統(tǒng)研究也積累豐富的經驗和技術。

　　軟件接收機的設計主要包括射頻前端，中頻信號處理和導航定位信號解算三大部分。射頻前端是所有后續(xù)信號處理的基礎，負責信號下變頻和AD轉換，輸出的數(shù)字信號用于后續(xù)中頻信號處理^[2];中頻信號處理包括中頻信號的采集，捕獲和跟蹤等，中頻信號采集系統(tǒng)可以完整地保存GPSBD兩種衛(wèi)星的中頻信號數(shù)據(jù)，為下面的基帶信號處理算法提供基礎。導航解算部分主要負責信號的跟蹤和鎖定的軟件部分、數(shù)據(jù)的解調、偽距的提取以及導航數(shù)據(jù)的解算，它的處理基礎是中頻信號處理，原始數(shù)據(jù)來自于采集系統(tǒng)。

　　本文首先研究設計出雙模單通道的GPSBD中頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于USB3.0與FPGA相結合的技術，完成對衛(wèi)星信號的采集和傳輸，接著對中頻頻域并行碼捕獲算法進行了研究，確立了基于快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transform)并行捕獲算法的方案，通過MATLAB仿真驗證了該方案的可行性。

1 系統(tǒng)硬件設計

　　衛(wèi)星中頻數(shù)據(jù)是進行軟件接收機研究的前提。為了實現(xiàn)設計要求，不僅要考慮器件的實時性和高效性，還要顧及系統(tǒng)的可擴展性^[3]。射頻前端模塊將衛(wèi)星信號中頻化，采用目前高速數(shù)字信號處理廣泛應用的現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)作為系統(tǒng)控制中心，對數(shù)字中頻信號進行處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉化、數(shù)據(jù)緩存和USB狀態(tài)控制，對USB進行端點配置、編寫固件程序和PC軟件設計，再通過USB接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸和PC存儲，搭建硬件平臺，實現(xiàn)對GPS L1和BD B1信號的數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　其中，天線負責GPSBD衛(wèi)星信號的接收，射頻前端將接收到的衛(wèi)星信號放大，濾波，下變頻和模數(shù)轉換為中頻信號后輸出;FPGA芯片實現(xiàn)射頻前端MAX2769的控制與中頻信號的接收和處理，轉換數(shù)據(jù)格式送入USB芯片端點FIFO緩沖，構成主從FIFO結構與CYUSB3014之間實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸^[4]，再通過USB3.0接口傳輸數(shù)據(jù)并在PC端完成采集和存儲。

　　本文設計搭建的GPSBD中頻信號采集系統(tǒng)，硬件部分主要包括：射頻前端和中頻信號采集單元，其中中頻信號采集單元包括FPGA控制和USB高速數(shù)據(jù)傳輸電路的設計^[5]。

　　1.1 射頻前端

　　射頻前端的主要功能是將天線接收到的射頻信號進行下變頻，對這些微弱信號進行放大，將輸出的信號轉換為數(shù)字形式，并能夠在可編程數(shù)字信號處理器中處理，例如DSP、FPGA 和PC等。

　　本文射頻前端設計方案采用MAX2769芯片完成，由于其內部集成了完整的接收機鏈路，只需配合少量的外圍元器件就可以實現(xiàn)GPS、北斗、伽利略等多種衛(wèi)星信號的接收和處理^[6]，構建一個完整的低成本接收機方案。芯片內部集成了雙通道低噪聲放大器(LNA)、溫補晶體振蕩器(TCXO) 、混頻器(MIXER)、基帶可編程增益放大器(PGA)、抑制鏡像濾波器(IRF)、Σ-Δ小數(shù)N分頻頻率合成器 (VCO)，總噪聲系數(shù)低達1.4dB。集成的ADC 既可以為I、Q通道各輸出1或2bit數(shù)字中頻信號，也可以I支路輸出三個量化位^[7]。

　　1.2 信號采集單元

　　FPGA采用Altera公司生產的Cyclone IV系列EP4CE115F芯片，該芯片數(shù)據(jù)傳輸速率高達3.125Gbps，片內集成114480個邏輯單元(LE)，234K位RAM，多達360個嵌入式18×18乘法器，用戶IO口多達532個，資源相當豐富。采集系統(tǒng)中硬件連接設計如圖2所示^[8]。

　　圖2所示編程控制MAX2769芯片工作在SPI模式下，通過3線接口SDATA(串行數(shù)據(jù))，SCLK(串行時鐘)和CS(片選)完成其內部10個寄存器的配置，射頻前端對高頻信號(L1B1)進行處理并降至中頻(IF)，經過單通道系統(tǒng)采集獲得實時2bit數(shù)字中頻數(shù)據(jù)(符號SIGN和MAG)后，送至基帶信號處理器(Digital Baseband Processor)。

　　USB芯片采用Cypress公司EZ-USB FX3系列中CYUSB3014來實現(xiàn)^[8]。該芯片集成了USB3.0和USB2.0物理層(PHY)以及32位ARM926EJ-S微處理器，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，并可用于構建定制應用，同時還配有512 kb的內置SRAM以及更多的接口，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力。系統(tǒng)利用通用可編程接口GPIF II的Slave FIFO方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳需求，由外部控制器控制USB芯片在從屬FIFO模式下工作。

　　圖2中FX3芯片與FPGA連接部分^[9]，F(xiàn)PGA對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，控制USB芯片工作狀態(tài)，將數(shù)據(jù)傳送到USB端口FIFO。CLK為16.369 MHz接口時鐘，由芯片內部產生;FLAGA和FLAGB為CYUSB3014返回給FPGA的狀態(tài)信號，F(xiàn)IFO 標志位管腳，反映USB端口FIFO當前的狀態(tài)，F(xiàn)PGA根據(jù)返回的狀態(tài)信號決定是否對CYUSB3014芯片進行數(shù)據(jù)的讀寫。

2 軟件設計與驗證

　　衛(wèi)星中頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)先利用射頻芯片、FPGA芯片等硬件進行前期的數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍幚恚偻ㄟ^USB接口送入PC機進行后期軟件處理。軟件設計包括三大部分：FPGA編寫對射頻前端控制，中頻數(shù)據(jù)接收傳輸、USB芯片工作的Verilog程序和CYUSB3014固件程序、PC端采集存儲程序設計^[9]。

　　2.1 程序設計

　　FPGA程序主要完成射頻前端控制、USB芯片的接口控制以及生成緩存FIFO，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制。將中頻信號先緩存在USB接口芯片的緩存區(qū)內，同時按照FX3的數(shù)據(jù)接收時鐘發(fā)送給FX3，F(xiàn)X3通過特定的固件程序自動完成數(shù)據(jù)向上位機的發(fā)送，通過上位機軟件對接收來的數(shù)據(jù)進行存儲。

　　FPGA程序開發(fā)環(huán)境為QUARTUS II，編寫Verilog HDL代碼，經過SPI串行協(xié)議配置設置參數(shù)分別接收GPS和北斗衛(wèi)星信號，實現(xiàn)多種衛(wèi)星信號的中頻數(shù)據(jù)接收。首先通過時序傳輸對射頻前端進行配置，將串行輸入端口設置為從ADC輸出2位CMOS值，每個寄存器有28個比特位，4個地址位。配置時，數(shù)據(jù)在先地址在后，串行數(shù)據(jù)MSB在先，LSB在后。

　　MAX2769的串行配置時序如圖3所示。

　　經過配置后射頻前端輸出的衛(wèi)星中頻信號，F(xiàn)PGA將2位串行數(shù)據(jù)經緩存轉換成16位并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)経SB并行數(shù)據(jù)總線，同時采用Slave FIFO從機方式對USB芯片進行讀寫操作的控制,將傳送至端點FIFO中的并行數(shù)據(jù)處理后供上位機完成存儲和處理。

　　固件程序主要完成對CYUSB3014芯片的初始化，配置GPIF II接口為32位同步Slave FIFO工作模式，外部處理器可像對普通FIFO一樣對FX3 FIFO進行讀寫;將經過采樣和FPGA處理后的數(shù)據(jù)存入CYUSB3014的FIFO緩沖區(qū)，并發(fā)給主機，接收和執(zhí)行PC機的指令，通過UART與FPGA進行通信^[10]。

　　上位機程序完成數(shù)據(jù)的傳輸以及校驗，確保數(shù)據(jù)傳輸過程正確無誤，同時還要實現(xiàn)傳輸?shù)募磿r性、靈活性以及簡單明了的界面信息顯示。上位機軟件讀取USB端點FIFO的數(shù)據(jù)，保存到硬盤文件，為接下來的數(shù)據(jù)測試以及基帶處理算法研究提供數(shù)據(jù)。

　　2.2 系統(tǒng)驗證

　　默認采集的GPS L1信號經射頻前端下變頻為3.996 MHz的模擬中頻信號，BD B1中頻中心頻點為3.996875 MHz，通過AD采樣為2bit數(shù)字中頻信號，采樣時鐘為16.369 MHz。MAX2769芯片變頻頻率范圍為1550~1610 MHz，為驗證射頻前端模塊能否正確采集衛(wèi)星信號，并進行處理，下圖4所示為射頻開發(fā)板連接實物圖, 示波器所示對MAX2769配置后輸出時鐘信號頻譜如圖5所示。

　　射頻模塊屏蔽罩可以有效減少外界環(huán)境對射頻信號的干擾，保證接收機能穩(wěn)定的工作。衛(wèi)星中頻數(shù)據(jù)送至信號處理部分，采用的HG-USB30-A開發(fā)板，帶有USB3.0接口，適用于FPGA數(shù)據(jù)的采集，控制和開發(fā)。

　　為驗證設計的GPSBD雙模單通道中頻信號采集系統(tǒng)是否正確工作，搭建實驗環(huán)境，在室外使用該采集系統(tǒng)進行衛(wèi)星信號采集，通過上位機軟件，將接收到的衛(wèi)星中頻數(shù)據(jù)保存到硬盤，用16進制文本器查看數(shù)據(jù)。

　　中頻信號采集系統(tǒng)硬件平臺如下圖6所示，圖7所示為上位機軟件采集到的GPS文本數(shù)據(jù)。

3 捕獲算法研究

　　信號捕獲是GPS接收機內信號處理的第一步，是信號跟蹤定位、解調導航等后續(xù)處理過程的前提，由于衛(wèi)星的移動和信號的傳播，可見衛(wèi)星及其信號的載波頻率，碼相位等關鍵參數(shù)是不斷變化的，因此接收機需要通過捕獲來確定這些參數(shù),對其后跟蹤環(huán)路進行初始化。而如何實現(xiàn)高動態(tài)下的快速捕獲是難點^[11]，傳統(tǒng)時域串行滑動相關算法，由于其捕獲時間長，資源和功率消耗大的缺點，本文研究基于FFT的頻域并行碼相位捕獲算法并對其進行改進。

　　3.1 算法分析

　　FFT算法的核心是解擴輸入信號，把本地偽碼的時域循環(huán)運算與中頻信號轉換到頻域中的乘法運算，其本質即輸入的中頻信號與碼相位的二維搜索完成同步對齊的過程，長度為N的有限長序列x(n) 的DFT(離散傅立葉變換)為：

　　根據(jù)式(4)可以較快地搜索到BD/GPS輸入信號和本地信號之間的相關性，進而找到C/A碼的起始位置和多普勒頻率初始值。

　　FFT改進算法的系統(tǒng)框圖如圖8所示。

　　本文FFT算法基于快速傅里葉變換和信號卷積的關系，具體的捕獲過程為：

　　1)用采集的中頻信號數(shù)據(jù)與本地產生的載波的同向和正交兩路信號相乘，再通過低通濾波器得到基帶復信號;

　　2)對復信號做FFT;

　　3)對本地偽碼發(fā)生器的輸出偽碼信號做FFT處理并對它取共軛;

　　4)對2)、3)步驟的結果進行復數(shù)相乘并做快速傅里葉反變換IFFT(Inverse Fast Fourier Transform);

　　5)對第4)步的結果取模與門限比較并判定捕獲結果，大于門限即可認為捕獲成功。

　　通過不斷調整本地載波頻率和偽碼相位，直至載波頻率差和偽碼相位差為零的過程，達到理想的狀態(tài)，實際上只要大于設定門限，在信號存在且強度足夠的情況下就會實現(xiàn)強自相關峰的結果完成信號的捕獲。

　　3.2 算法實現(xiàn)

　　用MATLAB編寫基于FFT的GPSBD衛(wèi)星信號捕獲程序，該實驗中采用中頻信號系統(tǒng)采集到的數(shù)字中頻信號,中頻數(shù)據(jù)頻率為fc=3996875 Hz，采樣頻率為fs=16367667 Hz，多普勒范圍±6500 Hz，多普勒掃描步長500 Hz。CA碼的碼元速率為1.023 MHz，整個碼周期包括1023個碼元，根據(jù)一個CA碼周期為1 ms，有5714個離散的采樣數(shù)據(jù)^[12]，完成捕獲處理必須至少用1 ms的數(shù)據(jù)。

　　圖9所示為捕獲得到的各通道衛(wèi)星信息結果顯示圖，GPS的28、20號衛(wèi)星和BD的3、14號捕獲三維圖如圖7所示。尖峰為信號捕獲到的相關峰值，當捕獲結果中未出現(xiàn)峰值，表明中頻信號中不包括該號衛(wèi)星的信號，如果出現(xiàn)了最大相關峰值，說明采集到的中頻信號中包含該號衛(wèi)星的信號。從圖7中可看出此種算法得到了很好的相關峰.

　　從仿真結果中可以看出，基于FFT的頻域并行碼相位捕獲算法可以有效地捕獲到GPSBD信號，得到可測衛(wèi)星的編號，以及該衛(wèi)星碼相位以及多普勒頻移，是一種快速高效，性能可靠且利于軟件實現(xiàn)的搜索方法。

4 結論

　　本文設計了GPSBD中頻信號采集系統(tǒng)，包括硬件的具體實現(xiàn)過程和軟件設計的實現(xiàn)。使用該采集系統(tǒng)可以實現(xiàn)雙模單通道衛(wèi)星信號的接收，傳輸和保存等功能，為后續(xù)捕獲和跟蹤算法的研究提供了可靠的原始數(shù)據(jù)。捕獲算法研究用采集到的數(shù)字中頻信號進行仿真驗證，實現(xiàn)了接收機的基本定位功能，對軟件接收機的研討有一定工程應用價值和實際意義。

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　　本文來源于《電子產品世界》2018年第12期第66頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。