GPS/北斗中頻信號采集系統設計及其捕獲算法研究

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

　　韓曉冰(1968—)，男，陜西西安人，教授，從事無(wú)線(xiàn)通信與無(wú)線(xiàn)檢測的研究;高夢(mèng)(1993-)女，陜西西安，學(xué)生，碩士，電子與通信工程;汪金萍(1991-)女，甘肅白銀，學(xué)生，碩士，通信與信息系統。

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

0 引言

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

　　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信號處理的基礎，負責信號下變頻和AD轉換，輸出的數字信號用于后續中頻信號處理^[2];中頻信號處理包括中頻信號的采集，捕獲和跟蹤等，中頻信號采集系統可以完整地保存GPSBD兩種衛星的中頻信號數據，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、數據的解調、偽距的提取以及導航數據的解算，它的處理基礎是中頻信號處理，原始數據來(lái)自于采集系統。

　　本文首先研究設計出雙模單通道的GPSBD中頻數據采集系統，基于USB3.0與FPGA相結合的技術(shù)，完成對衛星信號的采集和傳輸，接著(zhù)對中頻頻域并行碼捕獲算法進(jìn)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(guò)MATLAB仿真驗證了該方案的可行性。

1 系統硬件設計

　　衛星中頻數據是進(jìn)行軟件接收機研究的前提。為了實(shí)現設計要求，不僅要考慮器件的實(shí)時(shí)性和高效性，還要顧及系統的可擴展性^[3]。射頻前端模塊將衛星信號中頻化，采用目前高速數字信號處理廣泛應用的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)作為系統控制中心，對數字中頻信號進(jìn)行處理，實(shí)現數據格式轉化、數據緩存和USB狀態(tài)控制，對USB進(jìn)行端點(diǎn)配置、編寫(xiě)固件程序和PC軟件設計，再通過(guò)USB接口實(shí)現數據的快速傳輸和PC存儲，搭建硬件平臺，實(shí)現對GPS L1和BD B1信號的數據采集。系統原理框圖如圖1所示。

　　其中，天線(xiàn)負責GPSBD衛星信號的接收，射頻前端將接收到的衛星信號放大，濾波，下變頻和模數轉換為中頻信號后輸出;FPGA芯片實(shí)現射頻前端MAX2769的控制與中頻信號的接收和處理，轉換數據格式送入USB芯片端點(diǎn)FIFO緩沖，構成主從FIFO結構與CYUSB3014之間實(shí)現高速數據傳輸^[4]，再通過(guò)USB3.0接口傳輸數據并在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，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高速數據傳輸電路的設計^[5]。

　　1.1 射頻前端

　　射頻前端的主要功能是將天線(xiàn)接收到的射頻信號進(jìn)行下變頻，對這些微弱信號進(jìn)行放大，將輸出的信號轉換為數字形式，并能夠在可編程數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(shí)現GPS、北斗、伽利略等多種衛星信號的接收和處理^[6]，構建一個(gè)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N分頻頻率合成器 (VCO)，總噪聲系數低達1.4dB。集成的ADC 既可以為I、Q通道各輸出1或2bit數字中頻信號，也可以I支路輸出三個(gè)量化位^[7]。

　　1.2 信號采集單元

　　FPGA采用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone IV系列EP4CE115F芯片，該芯片數據傳輸速率高達3.125Gbps，片內集成114480個(gè)邏輯單元(LE)，234K位RAM，多達360個(gè)嵌入式18×18乘法器，用戶(hù)IO口多達532個(gè)，資源相當豐富。采集系統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(guò)3線(xiàn)接口SDATA(串行數據)，SCLK(串行時(shí)鐘)和CS(片選)完成其內部10個(gè)寄存器的配置，射頻前端對高頻信號(L1B1)進(jìn)行處理并降至中頻(IF)，經(jīng)過(guò)單通道系統采集獲得實(shí)時(shí)2bit數字中頻數據(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(lái)實(shí)現^[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，具有強大的數據處理能力，并可用于構建定制應用，同時(shí)還配有512 kb的內置SRAM以及更多的接口，具有強大的數據處理能力。系統利用通用可編程接口GPIF II的Slave FIFO方式實(shí)現數據的上傳需求，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]，FPGA對接收到的數據進(jìn)行處理，控制USB芯片工作狀態(tài)，將數據傳送到USB端口FIFO。CLK為16.369 MHz接口時(shí)鐘，由芯片內部產(chǎn)生;FLAGA和FLAGB為CYUSB3014返回給FPGA的狀態(tài)信號，FIFO 標志位管腳，反映USB端口FIFO當前的狀態(tài)，FPGA根據返回的狀態(tài)信號決定是否對CYUSB3014芯片進(jìn)行數據的讀寫(xiě)。

2 軟件設計與驗證

　　衛星中頻數據采集系統先利用射頻芯片、FPGA芯片等硬件進(jìn)行前期的數據傳輸等處理，再通過(guò)USB接口送入PC機進(jìn)行后期軟件處理。軟件設計包括三大部分：FPGA編寫(xiě)對射頻前端控制，中頻數據接收傳輸、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(shí)現數據傳輸和控制。將中頻信號先緩存在USB接口芯片的緩存區內，同時(shí)按照FX3的數據接收時(shí)鐘發(fā)送給FX3，FX3通過(guò)特定的固件程序自動(dòng)完成數據向上位機的發(fā)送，通過(guò)上位機軟件對接收來(lái)的數據進(jìn)行存儲。

　　FPGA程序開(kāi)發(fā)環(huán)境為QUARTUS II，編寫(xiě)Verilog HDL代碼，經(jīng)過(guò)SPI串行協(xié)議配置設置參數分別接收GPS和北斗衛星信號，實(shí)現多種衛星信號的中頻數據接收。首先通過(guò)時(shí)序傳輸對射頻前端進(jìn)行配置，將串行輸入端口設置為從ADC輸出2位CMOS值，每個(gè)寄存器有28個(gè)比特位，4個(gè)地址位。配置時(shí)，數據在先地址在后，串行數據MSB在先，LSB在后。

　　MAX2769的串行配置時(shí)序如圖3所示。

　　經(jīng)過(guò)配置后射頻前端輸出的衛星中頻信號，FPGA將2位串行數據經(jīng)緩存轉換成16位并行數據傳輸到USB并行數據總線(xiàn)，同時(shí)采用Slave FIFO從機方式對USB芯片進(jìn)行讀寫(xiě)操作的控制,將傳送至端點(diǎn)FIFO中的并行數據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(jìn)行讀寫(xiě);將經(jīng)過(guò)采樣和FPGA處理后的數據存入CYUSB3014的FIFO緩沖區，并發(fā)給主機，接收和執行PC機的指令，通過(guò)UART與FPGA進(jìn)行通信^[10]。

　　上位機程序完成數據的傳輸以及校驗，確保數據傳輸過(guò)程正確無(wú)誤，同時(shí)還要實(shí)現傳輸的即時(shí)性、靈活性以及簡(jiǎn)單明了的界面信息顯示。上位機軟件讀取USB端點(diǎn)FIFO的數據，保存到硬盤(pán)文件，為接下來(lái)的數據測試以及基帶處理算法研究提供數據。

　　2.2 系統驗證

　　默認采集的GPS L1信號經(jīng)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(diǎn)為3.996875 MHz，通過(guò)AD采樣為2bit數字中頻信號，采樣時(shí)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星信號，并進(jìn)行處理，下圖4所示為射頻開(kāi)發(fā)板連接實(shí)物圖, 示波器所示對MAX2769配置后輸出時(shí)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，保證接收機能穩定的工作。衛星中頻數據送至信號處理部分，采用的HG-USB30-A開(kāi)發(fā)板，帶有USB3.0接口，適用于FPGA數據的采集，控制和開(kāi)發(fā)。

　　為驗證設計的GPSBD雙模單通道中頻信號采集系統是否正確工作，搭建實(shí)驗環(huán)境，在室外使用該采集系統進(jìn)行衛星信號采集，通過(guò)上位機軟件，將接收到的衛星中頻數據保存到硬盤(pán)，用16進(jìn)制文本器查看數據。

　　中頻信號采集系統硬件平臺如下圖6所示，圖7所示為上位機軟件采集到的GPS文本數據。

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、解調導航等后續處理過(guò)程的前提，由于衛星的移動(dòng)和信號的傳播，可見(jiàn)衛星及其信號的載波頻率，碼相位等關(guān)鍵參數是不斷變化的，因此接收機需要通過(guò)捕獲來(lái)確定這些參數,對其后跟蹤環(huán)路進(jìn)行初始化。而如何實(shí)現高動(dòng)態(tài)下的快速捕獲是難點(diǎn)^[11]，傳統時(shí)域串行滑動(dòng)相關(guān)算法，由于其捕獲時(shí)間長(cháng)，資源和功率消耗大的缺點(diǎn)，本文研究基于FFT的頻域并行碼相位捕獲算法并對其進(jìn)行改進(jìn)。

　　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(shí)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(zhì)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(guò)程，長(cháng)度為N的有限長(cháng)序列x(n) 的DFT(離散傅立葉變換)為：

　　根據式(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(guān)性，進(jìn)而找到C/A碼的起始位置和多普勒頻率初始值。

　　FFT改進(jìn)算法的系統框圖如圖8所示。

　　本文FFT算法基于快速傅里葉變換和信號卷積的關(guān)系，具體的捕獲過(guò)程為：

　　1)用采集的中頻信號數據與本地產(chǎn)生的載波的同向和正交兩路信號相乘，再通過(guò)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(jìn)行復數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(mén)限比較并判定捕獲結果，大于門(mén)限即可認為捕獲成功。

　　通過(guò)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(guò)程，達到理想的狀態(tài)，實(shí)際上只要大于設定門(mén)限，在信號存在且強度足夠的情況下就會(huì )實(shí)現強自相關(guān)峰的結果完成信號的捕獲。

　　3.2 算法實(shí)現

　　用MATLAB編寫(xiě)基于FFT的GPSBD衛星信號捕獲程序，該實(shí)驗中采用中頻信號系統采集到的數字中頻信號,中頻數據頻率為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(cháng)500 Hz。CA碼的碼元速率為1.023 MHz，整個(gè)碼周期包括1023個(gè)碼元，根據一個(gè)CA碼周期為1 ms，有5714個(gè)離散的采樣數據^[12]，完成捕獲處理必須至少用1 ms的數據。

　　圖9所示為捕獲得到的各通道衛星信息結果顯示圖，GPS的28、20號衛星和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(guān)峰值，當捕獲結果中未出現峰值，表明中頻信號中不包括該號衛星的信號，如果出現了最大相關(guān)峰值，說(shuō)明采集到的中頻信號中包含該號衛星的信號。從圖7中可看出此種算法得到了很好的相關(guān)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，得到可測衛星的編號，以及該衛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(shí)現的搜索方法。

4 結論

　　本文設計了GPSBD中頻信號采集系統，包括硬件的具體實(shí)現過(guò)程和軟件設計的實(shí)現。使用該采集系統可以實(shí)現雙模單通道衛星信號的接收，傳輸和保存等功能，為后續捕獲和跟蹤算法的研究提供了可靠的原始數據。捕獲算法研究用采集到的數字中頻信號進(jìn)行仿真驗證，實(shí)現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(jià)值和實(shí)際意義。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第12期第66頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。