基于FPGA的GPS信号快速捕获方法实现

刘亿民,宋学瑞

(中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙410083)

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　　摘　要:介绍了一种基于平均相关器的GPS信号快速捕获算法,通过VHDL语言描述在FPGA上实现了该算法。平均相关器是一种将输入的5000点GPS样本信号平均化为1024点样本,然后通过FFT方法实现GPS信号快速捕获的基带相关器。这种相关器可以一步搜索到所有可能的码相位偏移,大大提高了捕获速度,比较好地满足了实时处理的要求。

关键字:GPS;FPGA;捕获;采样平均中图分类号:P228　　文献标识码:A　　文献标识码:100829268(2006)0620042205=x[n]󰃁CA[-n]=f

-1

1　引　言

捕获卫星信号的时间是评价GPS接收机的主要性能指标,一种实现快速捕获的方法是使用基于快速傅立叶变换的相关器,这种方法可以一步搜索到所有可能的码移,从而加快捕获速度[1]。C/A码周期为1ms,如果中频采样频率为5MHz,即每1ms有5000个样本,进行5000点的FFT相关函数计算将导致计算量巨大、设计复杂、接收机成本增高等问题。如果能在不降低信号信噪比的情况下,将每毫秒5000点的中频采样数据下采样到每毫秒1024点,就可解决上述问题。通过1024点的FFT模块进行频域软件信号处理是硬件实现C/A码捕获的主要思想[3]。

[2]

(fx[n])・

　f3(CA[n]))

式中,R[m]表示得到的自相关序列;x[n]表示输入的采样数据;CA[n]表示本地C/A码;L为C/A码的长度,m为本地码的码移数,󰃁表示卷积;f表示傅立叶变换;f3(CA[n])表示本地C/A码序列傅立叶变换的共轭;f-1表示反傅立叶变换。

5000点FFT对于硬件实现来说是非常昂贵的,

这可能是频域处理接收机目前并不是很流行的原因之一。Xilinx公司已经开发出处理1024点的FFT模块。该模块可以进行复数FFT变换,XN_RE、XN_IM分别表示输入数据的实部和虚部,XK_RE、XK_IM分别表示输出数据的实部和虚部,FWD_INV引

脚的配置决定FFT或IFFT变换模式,START为启动信号,其他引脚都可以根据用户的需要来配置和使用。该模块的详细操作时序如图1所示。按照时序图规定的时序关系将相应的信号分别送入FFT模块,就可以方便的实现信号的FFT处理。

原始C/A码的码率为每毫秒1023点,如果接收到的信号可以被恢复到与C/A码同样的速率,那么就可以使用1024点的FFT模块来计算。一种使用1024点FFT模块计算平均相关的方法是通过改良C/A码,重新调节接收序列和本地C/A码序列至1024个样本每毫秒以适应FFT模块的大小。将来自接收机前端的以5000Msps的采样速率采样并

2　GPS信号捕获

GPS接收机在接收GPS卫星信号时,先将L波

段的载频下变频至中频信号,再进行解扩、解调等处

理。在解扩解调之前,GPS接收机必须搜索载波频率偏移和C/A码码移,即进行C/A码捕获,然后进行卫星信号的跟踪和锁定[4]。

当在GPS接收机中采用基于FFT的快速码并行相关检测技术时,相应的自相关函数可以用下式来表示:

R[m]=

n=0

6

L

x[n]・CA[(n+m)]

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收稿日期:2006208215

基金项目:国家863项目(2001AA613050),国家自然科学基金(40204001)地理空间信息工程国家测绘局重点实验室项目(B2531,200604)

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量化后的信号下采样至1024点每毫秒,同时将本地C/A码也做同样的处理,就可将改进的两路码序列进行相关处理。两个改进的码序列代替了原始C/A

码序列,直接送入1024点的FFT模块,从而高效率地完成相关处理。

图1　FFT模块的操作时序　　GPS信号C/A码的周期是1ms,中频采样信号频率是5MHz,5000个采样数据点覆盖了1ms的时域,也就是说5000个采样数据点代表一个完整的C/A码序列,每个码元由4个或5个采样数据点代表。其中,5个采样数据对应一个C/A码码元的情况占绝大多数。可以通过一定数量的5个采样数据的集合和一定数量的4个采样数据的集合来将5000点的采样数据平均化成1024点,但是这时所得到的码序列不一定能很好地近似表达一个C/A码,除非原先的5000个采样数据中的第一个采样数据正好对应于C/A码第一个码片的第一个采样值,但这种概率非常小,尤其是在冷启动的情况下。因为没有足够的信息来决定哪4个或5个点组成一组并被平均(除非有一种方法可以知道样本和码元的相对位置),所以只能对多个不同的相对位置进行计算,通

过比较来得到一个相对正确的值。因为C/A码是一个循环序列,所以5个连续采样点中必定有一个是正确的平均起始点,这样将得到5个包含1024个平均样本的序列,其中必定有一个序列能给出C/A码的一个很好的近似表达。这种方法需要进行5次1024个数据点的FFT处理,所需要的时间比单次对5000个数据点作FFT处理的方法要少,而且降低了

系统的复杂性和成本[5]。

3　基于FPGA的平均相关器C/A码

捕获电路实现

　　GPS平均相关器捕获电路由数控振荡器、平均器、本地码产生器、复数乘法器、FFT/IFFT、最大值检测器等组件组成。图2是基于平均方法的GPS捕获电路在FPGA上实现的顶层模块图:

图2　捕获电路顶层模块图

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　　用一个5000×12位的RAM来储存样本数据,在完成对5000个数据的采集后,所采集的数据被送到载波去除电路。本地载波产生器用来产生2路正交信号sin(ωt)和cos(ωt),载波去除电路的输出信号被送到采样平均电路,将数据下采样到1024点,再送到1024×32位的存储器中。将这些数据通过1024点的复数FFT转换至频域,并与本地码的共轭FFT相乘,最后使用一个复数IFFT将其变回时域。

最大值检测器用来检查IFFT的1024路输出中的最大值。这个过程重复四次以上,每次都从不同的起始点开始。检查所有的五个循环后,最大值检测器将最大值与标准值相比较以判断是否找到真正的极值,如果没有探测到,将使用新的搜索单元,利用不同的频率偏移值重复上述过程。直到找到真正的最大值为止。

图3　平均器模块框图

　　顶层模块图中的平均器模块的实现如图3所示。平均算法选择每个C/A码元由4或5个样本

来代替,其中有120个码元由4个样本每码元取代,余下的904个码元由5个样本每码元取代,因此这种平均算法大部分时间进行平均5个样本运算。用一个133120的RAM存储4样本平均发生的码元

起始地址,一个13位的计数器用来计数所有的5000个样本,当计数器和RAM的值相匹配时,累加器进行4个样本平均,同时RAM的地址增加,指向下一个四样本平均操作的起始地址。当RAM和计数器的值不匹配时,累加器进行5个样本的平均。

图4　最大值搜索器框图

　　图4为最大值搜索器实现图。反傅立叶变换后,必须从1024个复数结果中搜索相关最大值,找到最大值发生的地方和最大值的大小以及载波相位。对于最大值搜索器最重要的信息并不是最大值本身的值,而是最大值的位置。分别计算实部和虚部的平方,然后相加可以得到一个很大的平方值,首先存取的最大值为零,每个时钟周期可以产生一个44

新的平方和值,这个新的值与存储在电路中的最大值相比较,如果新的值大于原始值,就将其替代寄存器中的最大值,地址值将使用计数器来计算,搜索器中有两个计数器,因为有一个用来检查地址值,一个用来检查起始点。起始点计数器从零开始计到四,另一个计数器从0到1023,搜索IFFT输出的五个循环中的每一个。样本中的码相位可以由以下公式

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计算得到:

5000τ=τ+k(samples)1024×1024

当τ为码相位时,τ1024就是最大值在1024个样本中的位置,k是起始点位置,这可以通过一个加法器和一个LUT来实现。LUT包括所有的1024个可能的乘法结果。

4.1　平均器部分在modelsim中的仿真图

如图5所示,信号din1、din2分别表示同相和正交两路信号,out1、out2分别表示进行4样本或者5样本累加后的结果,累加结果存储在一个431024的RAM中,通过读取此RAM即可读出相应的改良后的C/A码。另外,adr_1024为存储累加结果的RAM,rd_1024为该RAM的读有效信号;adr_for_4位进行4样本累加的样本地址,adr_120位存储该地址值的RAM地址。

4　各模块在modelsim中的实验仿真

结果

图5　平均器模块仿真图

4.2　捕获电路顶层模块在modelsim中的仿真图

如图6所示,kout为平均器的起始点,tao1024为码移,在大约第15ms的时候,捕获模块搜索到了C/A码的粗略码移。而目前主流接收机中采用的时域滑动相关方法,在冷启动的情况下搜索所有的频点和码相位需要大约7分钟的时间[6],由此可见,捕获时间相对传统的接收机算法来说大大减少了。将此码移送入跟踪循环,可以进一步跟踪GPS信号,完成GPS信号的解扩解调处理。

图6　捕获模块仿真图

5　平均相关器的FPGA实现及结论

通过XILINX公司的FPGA综合器XST综合

后,整个捕获电路消耗大约40万门的资源,该实验使用的是VIRTEX2系列2v1000fg45624型FPGA

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芯片,消耗了38%的资源,还有62%的资源可用来实现跟踪和导航计算功能。由于FPGA优越的可扩展性能,基于FPGA的GPS接收机可以很容易地扩展各种辅助功能,比如GPRS通信,GIS地图等;而且通用性好,只需做适当的修改,就可以将已开发出

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的各种模块应用于不同的卫星定位系统,如伽利略系统、北斗星系统等,大大缩短开发周期短,还可以作为各种卫星定位算法的前期验证工具,所以非常适合作为GPS系统的研究型试验平台,

使用平均相关器的方法实现GPS信号的捕获,减少了GPS信号的捕获时间,让接收机达到实时处理的要求,同时提高了接收机的性能。参考文献

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捕获技术的研究[J].北京航空航天大学学报,2003,26

(6):4-4921

作者简介;刘亿民　男,硕士,中南大学信息学院,

研究方向:嵌入式系统。

宋学瑞　男,副教授,中南大学信息院,研究方向:嵌入式系统,大规模集成电路开发,ASIC设计。

ImplementationofFastAcquisitionofGPSSignalBasedonFPGA

LIUYi2min,SONGXue2rui

(CentralSouthofUniversity,HunanChangsha410083)

Abstract:PresentedamethodoffastacquisitionofGPSsignalbasedonaveragingcorrelatorandimplemen2teditonFPGAbyVHDL.TheaveragingcorrelatorisaGPSbase2bandcorrelatorwhichacquiresGPSsignalthroughaveragingtheincoming5000samplesto1024beforetheprocessingofFFT.Thiscorrelatorcansearchallpossiblecodeshiftsinonestep,sodecreasestheacquisitiontime,meetsthereal2timerequirements.

Keyswords:GPS,FPGA,acquisition,averagingmethodofsampling

GLONASS传感器

莱卡地理信息系统公司推出两种GLONASS传感器,一种为GX1230GG,另一种为ATX1230GG,它们都

是莱卡公司的最新产品,它们可接收所有GLONASS卫星信号,特别是那些可见卫星受限地方,如市区峡谷,林区的卫星信号。52个通道(GPS的14个L1+14个L2及GLONASS的12L1+12个L2)的传感器,也可接收L2C及未来GPSL5和GalileoE1+E5的信号。GX1230GG和ATX1230GG都具有智能跟踪+智能检验+技术。

实时卫星接收机

拓普康公司首次推出一种名为GR23实时卫星接收机。这种装有ParadigmG3芯片的接收机,可接收来自GPS、GLONASS和Galileo三大卫星定位系统的信号。GR23系统有72个通用通道,可同时跟踪多达36颗卫星。46

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