基于PCI9820和GP2015的GPS信號采集與頻譜分析

PCI9820 在數(shù)字設(shè)計方面，采用標準的SODIMMSDRAM來儲存資料。因為PCI9820的單一信道所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，已超過了33 MHz、32 b PCI總線的頻寬，所以數(shù)據(jù)在傳輸?shù)接嬎銠C之前都記錄在板載SDRAM中，然后再通過總線控制DMA傳輸?shù)街鳈C內(nèi)存中。當(dāng)數(shù)據(jù)的速度超過PCI總線帶寬時，板卡上的內(nèi)存容量相對就顯得重要。PCI9820的標準版本配備64 MB的內(nèi)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，長達數(shù)秒的儲存空間。如果板卡的數(shù)據(jù)輸出小于PCI帶寬，PCI9820可以配置板載3k采樣數(shù)量的FIFO旁路SDRAM，完成直達主機內(nèi)存的實時數(shù)據(jù)傳輸。在一個多用戶或者多任務(wù)操作系統(tǒng)中，單獨分配一塊大的連續(xù)的內(nèi)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(nèi)存塊連接成一個互連的表列，從而可以不受分散小容量內(nèi)存塊的影響實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3 GPS射頻芯片GP2015簡介

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包括一個片上合成器、混頻器、自動增益控制(AGC)和一個提供符號和量級數(shù)字輸出的量化器，構(gòu)成一個完整的GPS接收機射頻前端電路僅需要極少的外部元件。可以與12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(wèi)星接收機、時間標準、導(dǎo)航和測量的應(yīng)用。

射頻前端主要由GP2015芯片及外圍濾波電路構(gòu)成。GP2015的輸人信號是自天線下行，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)。該信號隨后進入中頻信號主放大器，這一部分由兩個AGC(自動增益控制)放大器和三級變頻器組成。信號首先經(jīng)過AGC放大，然后與第三本振信號(31.11 MHz)混頻，經(jīng)過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(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器，一路送往管腳1供測試使用。

在片內(nèi)該中頻信號隨后進入A／D轉(zhuǎn)換器進行2 b量化后，模擬信號轉(zhuǎn)換為二位數(shù)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，它們來自于中頻模擬信號通過比較器比較之后實時輸出的比較結(jié)果。比較結(jié)果的輸出被基帶相關(guān)器提供的時鐘信號(5.714 Mttz)鎖定，鎖定后使4.309 MHz的信號變頻到1.405 MHz的數(shù)字信號。該數(shù)字信號輸出給基帶處理器做進一步處理。

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(shù)據(jù)采集卡，按照一定采樣率，采集得到數(shù)字中頻GPS信號。

用GP2015 構(gòu)建射頻模塊還包括外圍濾波器的設(shè)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載。該濾波器還有助于對900 MHz的移動電話所帶來的干擾進行濾除。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(jié)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(dāng)采樣頻率fs≥2fH時，就能夠從采樣后的數(shù)據(jù)中無失真地恢復(fù)出原來的信號，信號在時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(shù)字基帶處理的數(shù)據(jù)處理量就越大，對實時處理GPS信號帶來了困難。所以工程實際中經(jīng)常使用帶通采樣技術(shù)，降低采樣率，有利于簡化硬件、降低成本，同時減輕后續(xù)數(shù)據(jù)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(shù)，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(dāng)n=2時，fs范圍：5.332 MHz≤fs≤6.572 MHz，因此在工程實際中，與GP2015配套的基帶芯片GP2021(GP4020)提供的采樣時鐘頻率為5.714 MHz，欠采樣得到1.405 MHz的數(shù)字中頻信號。

PCI9820 采集卡的內(nèi)部時鐘基準為60 MHz，可在軟件中設(shè)定對其進行整數(shù)比率的分頻，即fs=60／n，n為整數(shù)，我們?nèi)=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(shù)字中頻信號。實驗中還采用低通采樣頻率fs=12 MHz進行對比實驗。