衛星導航系統基帶偽碼的頻域快捕獲，完整系統解決方案

　　項目背景及可行性分析

　　1.項目名稱(chēng)、項目的主要內容及目前的進(jìn)展情況

　　項目名稱(chēng)：衛星導航系統基帶偽碼的頻域快捕獲;

　　項目的主要內容：利用FPGA設計實(shí)現GNSS信號的頻域快速捕獲算法。

　　目前的進(jìn)展情況：擁有成熟的算法結構和仿真測試結果，開(kāi)始著(zhù)手相關(guān)模塊的實(shí)現。

　　2.項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng )新點(diǎn)的論述

　　創(chuàng )新點(diǎn)(1)：基于FFT，在頻域計算偽碼序列的循環(huán)相關(guān)值。在每一個(gè)多普勒頻移，對所有碼延遲同時(shí)計算出相關(guān)結果。和傳統的直接計算本地與接收信號相關(guān)值的方法相比，運算時(shí)間短。對C/A碼來(lái)說(shuō)，只需接收到一個(gè)偽碼周期(1ms)的信號，就可估計出碼相位;傳統的串行相關(guān)，每次最多移動(dòng)半個(gè)碼片，完成一次相關(guān)運算，搜索整個(gè)碼周期需要最少移動(dòng)2046次。

　　創(chuàng )新點(diǎn)(2)：FFT運算要求滿(mǎn)足所用數據的個(gè)數為2的整數次冪，一般情況下A/D不能滿(mǎn)足在一個(gè)碼周期內采樣點(diǎn)數符合2的整數次冪。本項目通過(guò)一種平均下采樣技術(shù)，來(lái)完成數據的匹配。

　　創(chuàng )新點(diǎn)(3)：采樣數據為一個(gè)碼周期時(shí)，通過(guò)處理單邊帶數據的辦法可以減少一半的運算量。雖然通過(guò)IFFT后只能找到前一半的點(diǎn)，但這些點(diǎn)包含了幾乎全部信息。

　　關(guān)鍵技術(shù)(1)：FFT的實(shí)現

　　關(guān)鍵技術(shù)(2)：平均下采樣完成數據匹配

　　3.技術(shù)成熟性和可靠性論述

　　目前通過(guò)MATLAB在通用PC機上完成該算法，證明該算法不僅可以有效地捕獲到衛星導航信號，而且速度較傳統的方法相比有很大提高，在一定程度上降低計算的工作量和復雜度。

　　下圖為實(shí)際衛星捕獲結果示意圖：

　　為了能夠實(shí)現算法在FPGA平臺的順利移植，利用System Generator在Simulink下的進(jìn)行了部分硬件協(xié)同仿真工作。開(kāi)發(fā)板為合眾達公司的seed-fem025，FPGA芯片為Virtex-4 SX25。由于整套系統硬件協(xié)同仿真所需的硬件資源不足，所以硬件協(xié)同仿真分模塊進(jìn)行。

　　軟件仿真的結果如下圖：

　　團隊成員均有比較扎實(shí)的數字電路基礎知識和FPGA設計功底，以及信號處理方面的專(zhuān)業(yè)知識，完全有能力保證該項目的順利實(shí)施，最終完成項目。同時(shí)團隊成員依托于哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所衛星導航技實(shí)驗室，利用實(shí)驗室的各種硬件資源，作為項目的物質(zhì)保證;通信技術(shù)研究所早在10年以前就開(kāi)始了對衛星導航技術(shù)的研究，積累了大量成熟的技術(shù)。

　　另外Virtex5系列的FPGA具有豐富的硬件資源，便于實(shí)現數字信號處理功能，可以有效地實(shí)現大規模的FFT運算，能夠實(shí)現實(shí)時(shí)的頻域捕獲。

　　項目實(shí)施方案

　　1.方案基本功能框圖及描述

　　該方案利用FFT，在頻域完成接收信號與本地信號的循環(huán)相關(guān)運算，因此同時(shí)計算出所有碼相位的相關(guān)值，估計接收信號的碼相位延遲。

　　具體過(guò)程如下：

　　(1)中頻信號采樣后經(jīng)過(guò)數字下變頻，經(jīng)過(guò)平均下采樣，整合數據，匹配運算點(diǎn)數的要求。將匹配的數據交給FFT模塊。其中I、Q兩支路分別作為FFT的實(shí)部和虛部進(jìn)行復數FFT運算。

　　(2)在FFT單元中，對進(jìn)來(lái)的數據做分段處理，分段的長(cháng)度L就決定一次并行運算的長(cháng)度，與捕獲概率、捕獲時(shí)間有很大的關(guān)系。

　　(3)對本地產(chǎn)生的擴頻碼，同樣進(jìn)行平均下采樣數據匹配后進(jìn)行FFT運算，并取其復共軛。

　　(4)把數據段和地址段的FFT結果相乘，然后進(jìn)行IFFT運算。

　　(5)對IFFT的結果取模值，存儲結果。

　　(6)對結果進(jìn)行捕獲判決，找出累加后一幀中最大點(diǎn)與設定的門(mén)限比較，如果高于門(mén)限值，進(jìn)行一次捕獲檢驗。

　　(7)如果低于門(mén)限，調整NCO調整頻率，重復上面的步驟

　　2.需要的開(kāi)發(fā)平臺

　　所需開(kāi)發(fā)平臺為XUPV5-LX110T，因為用頻域捕獲算法需要大點(diǎn)數的FFT變換支持。

　　3.方案實(shí)施過(guò)程中需要開(kāi)發(fā)的模塊

　　本方案進(jìn)行的頻域捕獲主要分為，頂層模塊，下采樣模塊、FFT模塊、PRN序列產(chǎn)生模塊、復數乘法器模塊、NCO模塊、峰值判決模塊、頻率搜索模塊。

　　4.系統最終要達到的性能指標

　　在SNR為-19dB的條件下，捕獲偽碼序列，碼相位的估計結果在0.5個(gè)碼片范圍內，以滿(mǎn)足后續跟蹤模塊的啟動(dòng)條件。

　　四、需要的其它資源

　　1.測試設備

　　在方案實(shí)施過(guò)程中，需要Xilinx內嵌的邏輯分析儀;思博倫的導航衛星信號源;Simulink以及System generator。

　　2.仿真、開(kāi)發(fā)工具

　　ISE集成平臺，Matlab和simulink，System generator，Synplify Pro綜合工具，以及仿真工具M(jìn)odelsim。