基于凌华科技与System Generator的GPS快速捕获算法的实现与验证(3)

SiGe公司的SE4150芯片输出中频为16.368MHz，对DDS（Direct Digital Synthesizer）位数要求较高，所以对采集的数据进行预处理：经数字变频将中频降到1.25MHz。对于2MHz的带宽，对数据不等间隔抽取降采样，等效为4.096MHz的采样速率，并重新量化为8bit位宽。将预处理的数据打开到工作区以待System Generator读取调用。

System Generator的总体设计如图5所示，主要包括以下几个功能模块：数据读取模块，4096点FFT/IFFT模块，扫频模块，信号产生模块，复数取模模块，复数乘法模块，FFT结果存储模块，捕获判决模块，逻辑控制模块，本地数据与中频数据选择模块（FFT数据与IFFT数据选择模块，系统控制信号产生模块）等。

System Generator 可以自动生成可在ISE中处理的寄存器传输级(Register Transfer Level, RTL)和IP核代码，在ISE中完成Xilinx执行工程后生成位流文件，最后下载到FPGA完成整个设计流程。表2给出了经ISE综合后本设计方案的硬件消耗情况。

从表中可以看出本设计方案所占用的芯片内的各项硬件资源平均在20%以下，这主要是因为，本设计方案采用了时分复用技术在整个设计方案中只采用一个FFT/IFFT核。从报告中可以看出系统的所支持的最大时钟频率为93.458MHz。

使用System Generator的Hardware Co-simulation功能，实现SDR平台与PC交互通信，SDR平台读取PC中的数据，并将运行结果返回给PC从而在PC上观察分析实验结果，如图6所示。

图7为输入的待捕获信号以及本地信号的波形图。其中自上而下分别是待捕获信号的实部，本地信号实部，待捕获信号的虚部，本地信号的虚部，这里已经对待捕获信号进行了归一化处理。

图8为FFT/IFFT模块的输入数据波形图。其中图a)为待运算数据的实部，图b)为待运算数据的虚部，而图c)为控制FFT/IFFT模块开始工作的start端输入的信号，图d)为控制其进行FFT还是IFFT运算的fwd_inv端输入的信号。输入的运算数据分为3部分：本地信号FFT运算结果与待捕获信号FFT运算结果复共轭相乘得到的数据，下一次相关运算所需的本地信号，下一次相关运算所需的待捕获信号。可以看到每当一部分数据输入时，start端都会出现一个脉冲以使模块开始进行运算，同时fwd_inv端输入信号控制进行FFT运算还是IFFT运算。由于本地信号FFT运算结果与待捕获信号FFT运算结果复共轭相乘得到的数据要进行IFFT运算，所以当这部分数据输入时，fwd_inv端输入的是0，代表进行的运算是IFFT运算。

图9为FFT/IFFT模块的输出数据波形图。其中图a)为运算结果的实部，图b)为运算结果的虚部，图c)为xk_index端输出数据波形，图d)为标志着运算结束的edone端输出数据波形。运算结果分为三部分：本地信号FFT运算结果与待捕获信号FFT运算结果复共轭相乘得到的数据进行IFFT运算的结果待捕获信号FFT运算结果，本地信号FFT运算结果。从图中可以看出由于待捕获信号的信噪比SNR=-19dB，其信号频谱已完全淹没于噪声中。FFT/IFFT模块完成一次运算，edone端会在输出结果的前一个时钟周期输出一个脉冲，而当运算结果输出时，xk_index端也会随之输出运算结果的序列号。

图10为最终得到的捕获结果波形图，而图11为最终捕获到的码相位延时和多普勒频槽。可以看出在SNR=-19dB时，本设计方案得到了很好的相关峰。最终捕获得到的码相位延时为2000，多普勒频槽为7，即捕获到的DDS模块的频率字为40032，其对应的载波频率为1.251MHz。这与输入的待捕获数据的参数一致。所以从仿真结果上可以证明，本设计方案能够进行GPS信号的捕获，同时进一步证明了基于FFT的频域快速捕获算法是正确有效的。

四、结论

本文详细阐述了如何通过ADLINK结合System Generator构建验证快速捕获算法。本设计方案总体可分为FFT/IFFT模块，扫频模块，信号产生模块，复数运算模块，FFT结果存储模块，捕获判决模块，以及最复杂的逻辑控制模块等7个模块。并且在设计的过程中只采用个一个FFT/IFFT核，很大程度上节约了硬件资源。同时还采用了一种新颖的复数乘法设计方案。从本章可以看出基于System Generator的硬件开发方法避开了繁琐的编写代码的过程，简单明了，模块化很强，是一种快速有效的开发手段。

同时，本文通过Hardware Co-simulation对本设计方案进行了验证。最终能够对SNR=-19dB的待捕获信号进行正确的捕获。验证了本设计方案的正确性与实用性。