基于PCI9820和GP2015的GPS信號采集與頻譜分析

PCI9820 在數字設計方面，采用標準的SODIMMSDRAM來(lái)儲存資料。因為PCI9820的單一信道所產(chǎn)生的數據流，已超過(guò)了33 MHz、32 b PCI總線(xiàn)的頻寬，所以數據在傳輸到計算機之前都記錄在板載SDRAM中，然后再通過(guò)總線(xiàn)控制DMA傳輸到主機內存中。當數據的速度超過(guò)PCI總線(xiàn)帶寬時(shí)，板卡上的內存容量相對就顯得重要。PCI9820的標準版本配備64 MB的內存，最高可支持到512 MB，可提供單一信道采集頻率達130 MS／s時(shí)，長(cháng)達數秒的儲存空間。如果板卡的數據輸出小于PCI帶寬，PCI9820可以配置板載3k采樣數量的FIFO旁路SDRAM，完成直達主機內存的實(shí)時(shí)數據傳輸。在一個(gè)多用戶(hù)或者多任務(wù)操作系統中，單獨分配一塊大的連續的內存用于DMA傳輸是很困難的，所以PCI9820提供了聚散DMA功能，它能把分散的內存塊連接成一個(gè)互連的表列，從而可以不受分散小容量?jì)却鎵K的影響實(shí)現大容量數據傳輸。其結構框圖如圖2所示。

3 GPS射頻芯片GP2015簡(jiǎn)介

GP2015 是ZARLINK公司生產(chǎn)的TQFP封裝的小型射頻前端芯片。GP2015提供一個(gè)低功率、低成本和高可靠性的GPS射頻前端解決方案。GP2015包括一個(gè)片上合成器、混頻器、自動(dòng)增益控制(AGC)和一個(gè)提供符號和量級數字輸出的量化器，構成一個(gè)完整的GPS接收機射頻前端電路僅需要極少的外部元件?？梢耘c12信道GPS相關(guān)器GP2021或者GP4020等GPS基帶處理器配套使用，適合C／A代碼全球定位的衛星接收機、時(shí)間標準、導航和測量的應用。

射頻前端主要由GP2015芯片及外圍濾波電路構成。GP2015的輸人信號是自天線(xiàn)下行，經(jīng)前置放大器濾波、放大后的GPS信號 (L1波段為1 575.42 MHz)作為輸入信號與鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生的第一本振信號(1.4 GHz)混頻，經(jīng)濾波得到差頻信號(175.42 MHz)。該信號與第二本振信號(140 MHz)混頻，經(jīng)過(guò)聲表濾波器中心頻率選擇得到差頻信號(35.42 MItz)。該信號隨后進(jìn)入中頻信號主放大器，這一部分由兩個(gè)AGC(自動(dòng)增益控制)放大器和三級變頻器組成。信號首先經(jīng)過(guò)AGC放大，然后與第三本振信號(31.11 MHz)混頻，經(jīng)過(guò)低通濾波器選出中頻信號(4.309 MHz)。該中頻信號一路送往片內A／D轉換器，一路送往管腳1供測試使用。

在片內該中頻信號隨后進(jìn)入A／D轉換器進(jìn)行2 b量化后，模擬信號轉換為二位數字信號――符號和模(SIGN和MAG)，分別表示輸出信號的極性和幅度值，它們來(lái)自于中頻模擬信號通過(guò)比較器比較之后實(shí)時(shí)輸出的比較結果。比較結果的輸出被基帶相關(guān)器提供的時(shí)鐘信號(5.714 Mttz)鎖定，鎖定后使4.309 MHz的信號變頻到1.405 MHz的數字信號。該數字信號輸出給基帶處理器做進(jìn)一步處理。

這里使用的是GP2015第一管腳的4.309 MHz的模擬中頻信號，送到PCI9820數據采集卡，按照一定采樣率，采集得到數字中頻GPS信號。

用GP2015 構建射頻模塊還包括外圍濾波器的設計，射頻濾波器的作用是濾除帶外干擾，特別是濾除1 224．58 MHz的鏡像噪聲，避免射頻前端第一級混頻器過(guò)載。該濾波器還有助于對900 MHz的移動(dòng)電話(huà)所帶來(lái)的干擾進(jìn)行濾除。射頻濾波器引入的插入損耗需要由LNA前置低噪放大器做出補償。具體細節可參考手冊及文獻[5-7]。

4采樣方案及信號頻譜分析

4.1 采樣方案

GP2015 輸出4.309 MHz的模擬中頻信號，而GPS的C／A碼帶寬為2.046 MHz，因此GPS信號所占頻帶為3.286～5.332 MHz，中頻信號的最高頻率為fH=5.332 MHz。按照Nyquist低通采樣定理，當采樣頻率fs≥2fH時(shí)，就能夠從采樣后的數據中無(wú)失真地恢復出原來(lái)的信號，信號在時(shí)域的采樣等效于在頻域的周期延拓，使fs≥2fH就是為了保證采樣后的信號頻譜不重疊，因此可知采樣頻率最低為fs=10.664 MHz。但采樣頻率越高，后端數字基帶處理的數據處理量就越大，對實(shí)時(shí)處理GPS信號帶來(lái)了困難。所以工程實(shí)際中經(jīng)常使用帶通采樣技術(shù)，降低采樣率，有利于簡(jiǎn)化硬件、降低成本，同時(shí)減輕后續數據處理的壓力。

對于GPS中頻帶通信號，其帶寬為B=2.046 MHz，只要取fs≥2B的某些值，就可以保證采樣后的信號頻譜不重疊。這種采樣方式就稱(chēng)為帶通采樣(Band-Sampling)，又叫欠采樣(Under-Sampling)，帶通采樣頻率fs可由下式確定：

其中，fH是帶通信號的最高頻率，fL是帶通信號的最低頻率，n為整數，取值范圍為2≤n≤fH／(fH-fL)。

對于這里的GPS中頻信號，fH=5.332 MHz，fL=3.286 MHz，由式(1)可得：

當n=2時(shí)，fs范圍：5.332 MHz≤fs≤6.572 MHz，因此在工程實(shí)際中，與GP2015配套的基帶芯片GP2021(GP4020)提供的采樣時(shí)鐘頻率為5.714 MHz，欠采樣得到1.405 MHz的數字中頻信號。

PCI9820 采集卡的內部時(shí)鐘基準為60 MHz，可在軟件中設定對其進(jìn)行整數比率的分頻，即fs=60／n，n為整數，我們取n=10，得到采樣頻率fs=6 MHz，按此頻率對GPS中頻信號采樣得到1.691 MHz的數字中頻信號。實(shí)驗中還采用低通采樣頻率fs=12 MHz進(jìn)行對比實(shí)驗。