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

作者

刘恩晓，男，1983.08生人，现为哈尔滨工业大学通信技术研究所博士生在读，主要研究方向为卫星导航接收机及其抗干扰技术研究

应用领域

导航接收机关键算法的硬件实现

挑战

目前在GPS接收机中，对码的捕获一般有两种方法：串行搜索方法和并行搜索方法。串行搜索方法硬件实现简单，但其捕获时间较长，每更改一次本地码相位，就需要花费1ms，完成一个搜索约2min左右时间。导航接收机在很多应用领域要求高的数据更新率，这就要求捕获时间变得更短才行。目前GPS信号捕获电路的主要实现手段是通过使用DSP芯片，DSP可以通过C语言编写程序，属于软件工作，可以在较高的层次进行设计，为设计工作提供了方便。但是此种实现方法不利于知识产权的保护，也不利于生产专门的芯片。因此本文采用FPGA来实现。而FPGA资源有限，如何通过复用来满足资源占用是一个关键问题。此外，导航信号强度远远低于噪声，接收SNR仅有-20dB，准确采集中频数据对算法的验证至关重要。

解决方案

重点研究了在SDR(Software Defined Radio)平台上实现频域捕获算法，基于SDR平台和FFT来实现并行快速捕获算法。本文使用Xilinx公司的系统级建模工具System Generator完成了对XCVFX60FF1152这款V4 系列的FPGA芯片编程，完成了频域捕获算法的硬件实现。在设计中采用时分复用技术，使整个设计方案只采用一个FFT核，并且使用了一种新的复数乘法方案，节约了硬件资源。为了避免系统热噪声的影响而准确采集导航数据，本系统设计时使用ADLINK公司生产的数字化仪PCI-9846H进行卫星信号采集，使用Xilinx公司提供的编程软件——System Generator，读取采集数据，在Matlab下的Simulink中进行系统设计调试，然后直接生成硬件描述语言下载到FPGA中。

一、引言

GPS接收机必须复现待捕获的卫星所发射的PN码，然后必须移动这个复现码的相位，直到与卫星的PN码发生相关为止。当接收机所复现的码与输入的卫星码相匹配时，有最大的相关值。当复现码的相位与输入的卫星码的相位在任何一边的偏移超过1个码片时，有最小的相关。这就是GPS接收机捕获或跟踪卫星信号时在码相位域内检测卫星信号的方式。这样GPS信号的捕获和跟踪过程是二维的信号复现过，如图1所示。图中横坐标为码相位，纵坐标为多普勒频槽。

典型情况下码相位以1/2码片的增量被搜索。每个码相位搜索增量是一个码片分格。每个频率的分格大概是2/3T Hz，其中T是搜索逗留时间（逗留时间越长频率分格越小）。一个码分格和一个多普勒分格合并起来成为一个方格。在码域内，GPS接收机完成自相关的过程是，首先搜索希望卫星的相位，然后调节复现码发生器的基码标称速率，以补偿由于接收机和卫星之间视距动态在卫星PRN码上所引起的码相位延迟，从而实现对卫星码状态的跟踪。码相关的过程用被相移的复现码与输入的卫星码实时相乘，然后积分和累加而实现。GPS接收机的目标是使其复现码的瞬时相位于所希望的卫星的码相位保持最大的相关。 接收机还必须调整其复现的载频信号，以使其与所希望的卫星频率相匹配，否则在距离域内的信号的相关过程将因为GPS接收机频率响应的滚降特性而受到严重的衰减，后果是永远也捕获不到信号。即使接收机在搜索过程中成功捕获了信号，如果失去了对卫星频率的跟踪，也会接着失去对码的跟踪。因此，GPS接收机首先搜索希望卫星的载波多普勒频率，然后跟踪这颗卫星的载波多普勒状态，以在载波多普勒域完成载波的匹配过程。

二、频域快速捕获算法

2.1 频域捕获原理

随着硬件技术的发展，FFT的运算速度越来越快。在现代通信，无线电导航，精密定位，精密时间测量和传递、授时等方面都要求对无线电信号进行实时相关处理。为了做到信号的快速捕获，GPS接收机引入FFT算法来计算相关值。在每一个频槽同时计算出所有码相位的相关值，可以使捕获时间尽可能的缩短。

FFT搜索算法是基于数学特性：时域的卷积等价于频域的相乘^[9]91-93。传统的两个抽样序列之间的关系是按如下方式实现

伪码并行FFT算法的搜索过程与匹配滤波法相似(但速度比匹配滤波法快)，即：在估计的多普勒频率点进行一次FFT搜索全部伪码相位，功率最大值和门限值比较，若最大值大于门限值，则表明信号捕获，给出信号所在位置的码相位和多普勒频率，进入信号跟踪阶段，如果最大值小于门限值，则表明信号未捕获，通过控制逻辑改变多普勒搜索单元，重复上述过程。由于FFT具有把能量集中到一个单元上的特性，所以FFT的并行搜索方式，不但搜索时间短，而且可以在低信噪比下捕获信号。