GPS/北斗中頻信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)線通信與無(wú)線檢測(cè)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(tǒng)。

摘要：本文使用MAX2769芯片設(shè)計(jì)射頻前端，將衛(wèi)星射頻信號(hào)下變頻到數(shù)字中頻;以FPGA+USB3.0的高速數(shù)據(jù)采集平臺(tái)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(chǔ)，實(shí)現(xiàn)多種衛(wèi)星中頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用已采集好的衛(wèi)星信號(hào)中頻數(shù)據(jù),在MATLAB平臺(tái)進(jìn)行編程仿真，研究了基于FFT的信號(hào)捕獲算法，能夠同時(shí)處理GPS和北斗兩種系統(tǒng)的中頻數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)信號(hào)捕獲。通過(guò)編寫(xiě)FPGA傳輸數(shù)據(jù)的Verilog程序、USB設(shè)備的固件程序、上位機(jī)程序，給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)以及軟件算法流程，實(shí)現(xiàn)中頻數(shù)據(jù)的接收、傳輸和保存，仿真驗(yàn)證了信號(hào)捕獲過(guò)程，給出捕獲結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該GPSBD雙模中頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足后續(xù)定位處理要求，可以被應(yīng)用于一切基于位置服務(wù)(LBS)的應(yīng)用場(chǎng)景中。

0 引言

　　隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，多模接收機(jī)是一個(gè)必然的趨勢(shì)^[1]，GPS是美國(guó)研發(fā)的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)，發(fā)展最為成熟并在全球范圍內(nèi)得到廣泛使用，隨著對(duì)GPS軟件接收機(jī)進(jìn)行深入的研究，為我國(guó)自主創(chuàng)新的COMPASS北斗導(dǎo)航系統(tǒng)研究也積累豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。

　　軟件接收機(jī)的設(shè)計(jì)主要包括射頻前端，中頻信號(hào)處理和導(dǎo)航定位信號(hào)解算三大部分。射頻前端是所有后續(xù)信號(hào)處理的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)信號(hào)下變頻和AD轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字信號(hào)用于后續(xù)中頻信號(hào)處理^[2];中頻信號(hào)處理包括中頻信號(hào)的采集，捕獲和跟蹤等，中頻信號(hào)采集系統(tǒng)可以完整地保存GPSBD兩種衛(wèi)星的中頻信號(hào)數(shù)據(jù)，為下面的基帶信號(hào)處理算法提供基礎(chǔ)。導(dǎo)航解算部分主要負(fù)責(zé)信號(hào)的跟蹤和鎖定的軟件部分、數(shù)據(jù)的解調(diào)、偽距的提取以及導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解算，它的處理基礎(chǔ)是中頻信號(hào)處理，原始數(shù)據(jù)來(lái)自于采集系統(tǒng)。

　　本文首先研究設(shè)計(jì)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(jié)合的技術(shù)，完成對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的采集和傳輸，接著對(duì)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(yàn)證了該方案的可行性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　衛(wèi)星中頻數(shù)據(jù)是進(jìn)行軟件接收機(jī)研究的前提。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(tǒng)的可擴(kuò)展性^[3]。射頻前端模塊將衛(wèi)星信號(hào)中頻化，采用目前高速數(shù)字信號(hào)處理廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)作為系統(tǒng)控制中心，對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)緩存和USB狀態(tài)控制，對(duì)USB進(jìn)行端點(diǎn)配置、編寫(xiě)固件程序和PC軟件設(shè)計(jì)，再通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸和PC存儲(chǔ)，搭建硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS L1和BD B1信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　其中，天線負(fù)責(zé)GPSBD衛(wèi)星信號(hào)的接收，射頻前端將接收到的衛(wèi)星信號(hào)放大，濾波，下變頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)后輸出;FPGA芯片實(shí)現(xiàn)射頻前端MAX2769的控制與中頻信號(hào)的接收和處理，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式送入U(xiǎn)SB芯片端點(diǎn)FIFO緩沖，構(gòu)成主從FIFO結(jié)構(gòu)與CYUSB3014之間實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸^[4]，再通過(guò)USB3.0接口傳輸數(shù)據(jù)并在PC端完成采集和存儲(chǔ)。

　　本文設(shè)計(jì)搭建的GPSBD中頻信號(hào)采集系統(tǒng)，硬件部分主要包括：射頻前端和中頻信號(hào)采集單元，其中中頻信號(hào)采集單元包括FPGA控制和USB高速數(shù)據(jù)傳輸電路的設(shè)計(jì)^[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(hào)進(jìn)行下變頻，對(duì)這些微弱信號(hào)進(jìn)行放大，將輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并能夠在可編程數(shù)字信號(hào)處理器中處理，例如DSP、FPGA 和PC等。

　　本文射頻前端設(shè)計(jì)方案采用MAX2769芯片完成，由于其內(nèi)部集成了完整的接收機(jī)鏈路，只需配合少量的外圍元器件就可以實(shí)現(xiàn)GPS、北斗、伽利略等多種衛(wèi)星信號(hào)的接收和處理^[6]，構(gòu)建一個(gè)完整的低成本接收機(jī)方案。芯片內(nèi)部集成了雙通道低噪聲放大器(LNA)、溫補(bǔ)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(dá)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(hào)，也可以I支路輸出三個(gè)量化位^[7]。

　　1.2 信號(hào)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(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)3.125Gbps，片內(nèi)集成114480個(gè)邏輯單元(LE)，234K位RAM，多達(dá)360個(gè)嵌入式18×18乘法器，用戶(hù)IO口多達(dá)532個(gè)，資源相當(dāng)豐富。采集系統(tǒng)中硬件連接設(shè)計(jì)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線接口SDATA(串行數(shù)據(jù))，SCLK(串行時(shí)鐘)和CS(片選)完成其內(nèi)部10個(gè)寄存器的配置，射頻前端對(duì)高頻信號(hào)(L1B1)進(jìn)行處理并降至中頻(IF)，經(jīng)過(guò)單通道系統(tǒng)采集獲得實(shí)時(shí)2bit數(shù)字中頻數(shù)據(jù)(符號(hào)SIGN和MAG)后，送至基帶信號(hào)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(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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，并可用于構(gòu)建定制應(yīng)用，同時(shí)還配有512 kb的內(nèi)置SRAM以及更多的接口，具有強(qiáng)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(shí)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(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)鐘，由芯片內(nèi)部產(chǎn)生;FLAGA和FLAGB為CYUSB3014返回給FPGA的狀態(tài)信號(hào)，F(xiàn)IFO 標(biāo)志位管腳，反映USB端口FIFO當(dāng)前的狀態(tài)，F(xiàn)PGA根據(jù)返回的狀態(tài)信號(hào)決定是否對(duì)CYUSB3014芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。

2 軟件設(shè)計(jì)與驗(yàn)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(jìn)行前期的數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍幚?，再通過(guò)USB接口送入PC機(jī)進(jìn)行后期軟件處理。軟件設(shè)計(jì)包括三大部分：FPGA編寫(xiě)對(duì)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(chǔ)程序設(shè)計(jì)^[9]。

　　2.1 程序設(shè)計(jì)

　　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(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制。將中頻信號(hào)先緩存在USB接口芯片的緩存區(qū)內(nèi)，同時(shí)按照FX3的數(shù)據(jù)接收時(shí)鐘發(fā)送給FX3，F(xiàn)X3通過(guò)特定的固件程序自動(dòng)完成數(shù)據(jù)向上位機(jī)的發(fā)送，通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)接收來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

　　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(shè)置參數(shù)分別接收GPS和北斗衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多種衛(wèi)星信號(hào)的中頻數(shù)據(jù)接收。首先通過(guò)時(shí)序傳輸對(duì)射頻前端進(jìn)行配置，將串行輸入端口設(shè)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(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(shí)序如圖3所示。

　　經(jīng)過(guò)配置后射頻前端輸出的衛(wèi)星中頻信號(hào)，F(xiàn)PGA將2位串行數(shù)據(jù)經(jīng)緩存轉(zhuǎn)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(shí)采用Slave FIFO從機(jī)方式對(duì)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(shù)據(jù)處理后供上位機(jī)完成存儲(chǔ)和處理。

　　固件程序主要完成對(duì)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(duì)普通FIFO一樣對(duì)FX3 FIFO進(jìn)行讀寫(xiě);將經(jīng)過(guò)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(jī)，接收和執(zhí)行PC機(jī)的指令，通過(guò)UART與FPGA進(jìn)行通信^[10]。

　　上位機(jī)程序完成數(shù)據(jù)的傳輸以及校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程正確無(wú)誤，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)募磿r(shí)性、靈活性以及簡(jiǎn)單明了的界面信息顯示。上位機(jī)軟件讀取USB端點(diǎn)FIFO的數(shù)據(jù)，保存到硬盤(pán)文件，為接下來(lái)的數(shù)據(jù)測(cè)試以及基帶處理算法研究提供數(shù)據(jù)。

　　2.2 系統(tǒng)驗(yàn)證

　　默認(rèn)采集的GPS L1信號(hào)經(jīng)射頻前端下變頻為3.996 MHz的模擬中頻信號(hào)，BD B1中頻中心頻點(diǎn)為3.996875 MHz，通過(guò)AD采樣為2bit數(shù)字中頻信號(hào)，采樣時(shí)鐘為16.369 MHz。MAX2769芯片變頻頻率范圍為1550~1610 MHz，為驗(yàn)證射頻前端模塊能否正確采集衛(wèi)星信號(hào)，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(duì)MAX2769配置后輸出時(shí)鐘信號(hào)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(duì)射頻信號(hào)的干擾，保證接收機(jī)能穩(wěn)定的工作。衛(wèi)星中頻數(shù)據(jù)送至信號(hào)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(shù)據(jù)的采集，控制和開(kāi)發(fā)。

　　為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的GPSBD雙模單通道中頻信號(hào)采集系統(tǒng)是否正確工作，搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在室外使用該采集系統(tǒng)進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)采集，通過(guò)上位機(jī)軟件，將接收到的衛(wèi)星中頻數(shù)據(jù)保存到硬盤(pán)，用16進(jìn)制文本器查看數(shù)據(jù)。

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

3 捕獲算法研究

　　信號(hào)捕獲是GPS接收機(jī)內(nèi)信號(hào)處理的第一步，是信號(hào)跟蹤定位、解調(diào)導(dǎo)航等后續(xù)處理過(guò)程的前提，由于衛(wèi)星的移動(dòng)和信號(hào)的傳播，可見(jiàn)衛(wèi)星及其信號(hào)的載波頻率，碼相位等關(guān)鍵參數(shù)是不斷變化的，因此接收機(jī)需要通過(guò)捕獲來(lái)確定這些參數(shù),對(duì)其后跟蹤環(huán)路進(jìn)行初始化。而如何實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)下的快速捕獲是難點(diǎn)^[11]，傳統(tǒng)時(shí)域串行滑動(dòng)相關(guān)算法，由于其捕獲時(shí)間長(zhǎng)，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(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

　　3.1 算法分析

　　FFT算法的核心是解擴(kuò)輸入信號(hào)，把本地偽碼的時(shí)域循環(huán)運(yùn)算與中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域中的乘法運(yùn)算，其本質(zhì)即輸入的中頻信號(hào)與碼相位的二維搜索完成同步對(duì)齊的過(guò)程，長(zhǎng)度為N的有限長(zhǎng)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(hào)和本地信號(hào)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(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(hào)卷積的關(guān)系，具體的捕獲過(guò)程為：

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

　　2)對(duì)復(fù)信號(hào)做FFT;

　　3)對(duì)本地偽碼發(fā)生器的輸出偽碼信號(hào)做FFT處理并對(duì)它取共軛;

　　4)對(duì)2)、3)步驟的結(jié)果進(jìn)行復(fù)數(shù)相乘并做快速傅里葉反變換IFFT(Inverse Fast Fourier Transform);

　　5)對(duì)第4)步的結(jié)果取模與門(mén)限比較并判定捕獲結(jié)果，大于門(mén)限即可認(rèn)為捕獲成功。

　　通過(guò)不斷調(diào)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(dá)到理想的狀態(tài)，實(shí)際上只要大于設(shè)定門(mén)限，在信號(hào)存在且強(qiáng)度足夠的情況下就會(huì)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)自相關(guān)峰的結(jié)果完成信號(hào)的捕獲。

　　3.2 算法實(shí)現(xiàn)

　　用MATLAB編寫(xiě)基于FFT的GPSBD衛(wèi)星信號(hào)捕獲程序，該實(shí)驗(yàn)中采用中頻信號(hào)系統(tǒng)采集到的數(shù)字中頻信號(hào),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(zhǎng)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(jù)一個(gè)CA碼周期為1 ms，有5714個(gè)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(jié)果顯示圖，GPS的28、20號(hào)衛(wèi)星和BD的3、14號(hào)捕獲三維圖如圖7所示。尖峰為信號(hào)捕獲到的相關(guān)峰值，當(dāng)捕獲結(jié)果中未出現(xiàn)峰值，表明中頻信號(hào)中不包括該號(hào)衛(wèi)星的信號(hào)，如果出現(xiàn)了最大相關(guān)峰值，說(shuō)明采集到的中頻信號(hào)中包含該號(hào)衛(wèi)星的信號(hào)。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(jié)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(hào)，得到可測(cè)衛(wèi)星的編號(hào)，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(shí)現(xiàn)的搜索方法。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了GPSBD中頻信號(hào)采集系統(tǒng)，包括硬件的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程和軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。使用該采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)雙模單通道衛(wèi)星信號(hào)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(hào)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了接收機(jī)的基本定位功能，對(duì)軟件接收機(jī)的研討有一定工程應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。

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