（通信与信息系统专业论文）基于fpga的gps+p码捕获处理器的设计与实现.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 美国的g p s 导航系统作为美国军事基础设施的一个基本组成部分，在近年来 的历次战争中发挥了重要作用。g p s 系统采用c d m a 体制，目的使用的扩频伪随 机码主要是c a 码和p 码。在过去，对p 码的捕获大都先捕获c a 码，然后通过 c a 码引导捕获p 码。鉴于g p s 系统的重要性，美国军方已经开展了针对g p s 卫 星导航系统干扰和抗干扰能力的研究，并且已经具备有目的地干扰某地区g p s 信 号而不影响己方军用信号的能力。因此，为了提高g p s 接收机的抗干扰性能，有 必要对p 码的直接捕获技术进行研究。 为了实现对p 码的直接捕获，课题组提出了时频域相结合的捕获算法。该算 法以p 码序列良好的自相关性和互相关性为基础，对接收数据和本地伪码序列进 行扩展和均值运算，这样可以扩展一次搜捕的范围，同时也会增加峰值位置的模 糊度。最后要进行去除模糊度操作。对该算法进行深入研究后，根掘可用的硬件 资源，对算法进行了改进，最终选择扩展段数和均值段数都为两段，f f t 点数为 1 0 2 4 ，以此为基础设计与实现g p sp 码捕获处理器。 在设计捕获处理器的过程中，采取自上向下的设计思想，先从系统的角度进 行分析，将系统分为硬件部分与软件部分，硬件部分又划分为p 码序列产生器、 数据处理器以及循环相关处理器三个部分分别实现。然后再将每个处理器划分为 不同的功能模块，对每个模块都进行了时序仿真。最后在实验室的环境下，对整 个捕获处理器进行了测试，测试结果表明在有噪声的情况下，捕获处理器能够完 成对p 码的直接捕获。 关键字：g p s ：p 码；直接捕获；f p g a 沈阳理：f 大学硕士学位论文 a b s t r a c t a saf u n d a m e n t a lp a r to fa m e r i c a nm i l i t a r ys y s t e m ，g p sn a v i g a t i o ns y s t e mp l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nan u m b e ro fb a t t l e sd u r i n gr e c e n ty e a r s t y p i c a lc d m a i sa p p l i e d i ng p s ，a n dt h es p r e a ds p e c t r u mp r nc o d e si ng p s a l ec ac o d ea n dpc o d e i ti su s e d t oc a p t u r et h ec ac o d ef i r s t ，a n du s et h ec ac o d et oc a p t u r et h epc o d e d u et ot h e i m p o r t a n c eo ft h eg p sn a v i g a t i o ns y s t e m ，a m e r i c a nm i l i t a r yh a sa l r e a d yc a r r i e do u tt h e r e s e a r c ho n j a m m i n ga n da n t i - j a m m i n go f g p ss a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m ，a n dh a sb e e n c a p a b l eo f j a m m i n gt h eg p ss i g n a lo fc e r t a i na r e a ，w i t h o u tj a m m i n gt h e i ro w nm i l i t a r y g p ss i g n a l h e n c e ，i no r d e rt oi m p r o v et h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t yo ft h eg p sr e c e i v e r , i t si m p o r t a n tt or e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo f d i r e c t l yc a p t u r i n gpc o d es i g n a l an e wm e t h o dc a l l e d “c o m b i n a t i o no ft i m e - a n df r e q u e n c y d o m a i nm e t h o d ”i s i n t r o d u c e df o rc a p t u r i n gpc o d es i g n a ld i r e c t l y t h i sm e t h o di sb a s e do nt h ev e r yg o o d a u t o c o r r e l a t i o na n dc r o s sc o r r e l a t i o np r o p e r t i e so ft h epc o d e t h er a n g eo ft h ec a p t u r e h a sb e e ne x t e n d e da f t e rt h ee x t e n d i n ga n dt h ea v e r a g ep r o c e s s i n g ，b u ti tc a na l s o i n c r e a s et h em i s t i n e s so ft h ep e a kp o s i t i o n ，s ot h ep r o c e s so fg e t t i n gt h er e a lp o s i t i o ni s n e c e s s a r y h a v i n gr e s e a r c h e do nt h em e t h o dd e e p l y ，a n du n d e rt h el i m i t e do ft h e h a r d w a r er e s o u r c e ，t h em e t h o dh a sb e e ni m p r o v e d ，a n dt h ee x t e n d i n gs e g m e n ta n dt h e a v e r a g es e g m e n ta r es p e c i f i e da st w o ，a n dt h ef f tp o i n ti s10 2 4 b a s e do nt h i st h ep c o d ea c q u i s i t i o np r o c e s s o ri sd e s i g n e d t h eu p - t o d o w nm e t h o di su s e di nt h ed e s i g n i n g f i r s t ，t h es y s t e mi sa n a l y z e da n d t h es y s t e mi sd i v i d e di n t oh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h e n ，t h ep a r to ft h eh a r d w a r ei s d i v i d e di n t ot h r e em o d u l e ，t h e ya r epc o d eg e n e r a t o r , t h em o d u l eo fd a t ap r o c e s s i n ga n d t h em o d u l eo f p r o c e s s i n gr e l e v a n tt oc i r c u l a t i o n 。a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n ，t h em o d u l e s a r ed i v i d e dm o r ed e t a i l e d e v e r ym o d u l eh a sb e e ns i m u l a t e da n dt h er e s u l t sa r es h o w n a tl a s t ，t h ea c q u i s i t i o np r o c e s s o ri st e s t e du n d e rt h el a b t h et e s tr e s u l tc o n f i r m st h a t ， t h ep r o c e s s o rh a st h ea b i l i t yo f c a p t u r i n gpc o d es i g n a ld i r e c t l yu n d e rn o i s e k e yw o r d s ：g p s ；pc o d e ；d i r e c ta c q u i s i t i o n ；f p g a 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期 学位论文版权使用授权书 月召日 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：乏务指导教师签名：冼毫是 e t 期：柳i 苫日 期：御彳、孑 第1 章绪论 1 1 课题的背景 第1 章绪论 g p s 是美国国防部为满足军事部门对海上、空中和陆地运载工具的高精度导 航和定位要求而建立的。该系统花费超过1 0 0 亿美元的庞大研制经费，经过2 0 余年的不懈努力，从方案论证、研究、试验到研制和组网，最后于1 9 9 4 年3 月 1 0 日，2 4 颗卫星全部进入预定轨道，系统全面投入正常运行n ，。 1 9 9 1 年海湾战争结束后，美国海军中将威廉多尔蒂指出：“到1 9 9 1 年2 月 战争结束后，人们已经普遍认识到空间力量的支援军队联合作战行动中的一个关 键的、有价值的、必不可少的因素。基于这种认识，海湾战争应被称为第一场空 间战争”“，。 由于高技术武器装载g p s 卫星制导系统可以大大提高武器的杀伤力和打击效 率，美国和北约在科索沃战争中使用的武器几乎全部是精确制导武器。根据统计， 在“盟军行动”中，美国共进行了5 4 0 0 次轰炸，只出现9 次失误，成功率大于 9 9 。在这次行动中，美军首次动用了被认为是世界上最先进、最保密和最昂贵的 b - 2 隐身轰炸机，投掷美军研制的、由惯性+ g p s 复合指导的“联合直接攻击弹药” ( j d a m ) 进行精确轰炸。1 9 9 9 年5 月8 日，美b - 2 轰炸中国驻南联盟大使馆使用 的就是这种炸弹。 在伊拉克战争中，美英联军使用大量的精确制导武器( 精确制导导弹1 4 0 0 0 多枚、巡航导弹7 5 0 枚) ，对伊拉克实施了精确火力打击。美英联军精确制导武器 的使用量占总投弹量的7 0 。g p s 制导武器在整个精确制导武器中所占的比例也由 海湾战争的不足1 0 ，到“沙漠之狐”的5 0 ，再到本次战争的9 8 。由2 8 颗卫 星( 包含备用卫星) 组成的g p s 系统是美英联军进行精确打击的关键，它增强了 美英联军对地面、海上、空中的各种打击力量导航定位能力。开战前，美国于2 0 0 3 年1 月2 9 日发射了一颗新型的导航定位卫星g p si ir 8 以及一颗实验型x s s 一1 0 卫 星，x s s - i o 卫星主要试验对目标的监视能力，并用于演示先进的轨道机动和位置 保持能力；战争期间，在2 0 0 3 年3 月3 1 日，美国又发射了一颗代号为g p sb l o c k 沈阳理工大学硕士学位论文 2 r - 9 的g p s 战术导航卫星。联合直接攻击弹药( j d a m ) 、“战斧”、a g m 等精确武器 大量地加载了g p s 接收机，提高了打击精度，使其具备了全天候攻击能力，缩短 了攻击准备时间。据分析，采用“惯性导航系统g p s ”制导方式代替“惯性导航 系统地形匹配”制导方式之后，还使“战斧”巡航导弹防区外发射距离增加了 2 0 。 可见，g p s 系统在现代化战争中发挥了巨大的作用。 1 2 课题的提出 鉴于现代战争中空间站场的重要性，争夺制天权成为决定胜负的关键因素。 争夺制天权的基本手段包括硬杀伤和软杀伤两大类。硬杀伤是运用各种武器 系统，从物理上破坏、摧毁敌军航天器和地面系统，包括发射系统、指挥控制系 统和各类保障系统等。其杀伤方式主要包括核能、动能和高功率定向能等三种方 式。软杀伤方式是指通过欺骗、干扰、破坏敌空间系统中的光电设备，使其暂时 或永久失效，从而造成空间系统丧失作战能力。其杀伤手段包括电子干扰、网络 攻击和低功率定向能破坏。制天权的争夺着重强调软杀伤手段的运用，即遏制敌 方空军力量效能的发挥，而不是物理上摧毁敌方的航天器。 由于空间卫星系统在导航、通信、探测、预警、侦察等军事领域的得到了广 泛应用，为在空间信息的通信对抗中获得优势，美军率先提出并建立了“反空间 通信系统”，其目的在于利用无线电频率干扰空间链路，阻碍敌方的卫星通信，该 系统已于2 0 0 4 年1 月开始装备。 为此，我们也应开展空间通信技术的研究，期望通过先进的技术、方法、手 段和簧略，实现对信息有效传输保证的卫星通信链路的干扰，进一步获得空间优 势。 g p s 系统中p 码的捕获通常是利用c a 码来完成的，用户首先捕获到c a 码，然后利用c a 码调制的导航电文中的转换字( h o w ) 所提供的p 码信息对p 码 进行捕获。与p 码相比，c a 码的码长短、码速率低，易受敌方干扰和欺骗，在 强干扰和欺骗的战争环境下，对p 码进行直接捕获是电子战和导航战环境下所提 出的新要求，是保证c a 码受到干扰条件下军用g p s 接收机仍能正常工作的有效 手段，与通过转换字捕获p 码相比，直接捕获具有更大的抗干扰能力。因此，直 一2 一 第1 章绪论 接捕获p 码一直受美国军方的严密关注。 美国斯科里埃弗空军基地的发言人于2 0 0 1 年1 0 月2 0 日表示，美军已经具备 有能力选择性地干扰某些地区g p s 信号的能力，而且不会影响到己方军用信号的 精度。为了降低敌方干扰机对g p s 的干扰，美国国防部高级研究计划局( d a r p a ) 正在进行一项g p s 虚拟星座方案研究，它将利用装载在无人机或地面上的“虚拟 机”构成虚拟的g p s 星座，其转发的高功率加密g p s 信号将压制敌方的干扰能力。 随着f p g a 技术的发展和高性能开发平台的出现，在一片f p g a 开发板内实现 整个系统已经成为可能m m m ，为此，课题组提出了“基于f p g a 的g p sp 码捕获处 理器的设计与实现”，将其作为国家“8 6 3 ”项目“空间通信技术研究”的一个组 成部分。 1 3 捕获算法的研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外一直将p 码的直接捕获方法作为研究的重点，提出了很多p 码直接搜捕 方法，较为有效的算法有x f a s t 算法m 和均值算法“1 。考虑到g p s 中p 码的长周期、 高速率等特点，对其进行直接捕获不仅要考虑到信噪比、衰减和d o p p l e r 频移“1 等条件，而且还要考虑到p 码本身自相关和互相关等特性，所以，在此领域的研 究具有很大的挑战性。g p s 系统为直接序列扩频通信系统，对伪随机序列的搜捕 通常采用相关运算的方法，为提高计算速度，又通常是基于f f t 的搜捕方法。随 着伪随机码复杂性的增加，对搜捕算法提出了挑战。其中，如何提高算法的效率 是必须解决的问题。对于硬件设施而言，确定一个适用的搜捕算法对于提高搜捕 速度是很重要的。 在众多国家中，俄罗斯和美国对g p s 的研究是较为深入的，成果也较为显著。 同时在长周期伪随机码的直接捕获技术方面也有深入的研究。 在该研究领域，先后提出了多种码的搜捕算法，如：v a nn e e ，c o e n e n 及 d a v e n p o r t 在1 9 9 1 年提出了使用f f t 实现伪随机码的快速捕获，该方法主要针对 c a 码；c y a n g 对f f t 的多种抽样方案进行了比较和分析，于1 9 9 9 年进一步提出 了扩展复制码叠加算法x f a s t ( e x t e n d e dr e p l i c af o l d i n ga c q u i s i t i o ns e a r c h 一3 一 沈阳理工大学硕士学位论文 t e c h n i q u e ) ，在2 0 0 1 年提出了序列块搜索算法( s e q u e n t i a lb l o c ks e a r c h t e c h n i q u e ) ，为实现p ( y ) 码的快速捕获提供了理论基础。d a v i dm l i n 和b y ，t s u i 对g p s 软件接收机的码捕获方案进行了研究，特别是对f f t 实现循环相关 ( c i r c u l a rc o r r e l a t i o n ) 的多种方案进行了分类和性能比较，例如：分段补零 循环相关法、分段超位循环相关法等，其结论是：在信号较强且数据量较少时， 可采用非相干循环相关法( n o n - c o h e r e n tc i r c u l a rc o r r e l a t i o n ) ，运算量小、 检测概率高；在弱信号和大数据量时采用分段补零的循环相关法( c i r c u l a r c o r r e l a t i o nb yp a r t i t i o na n dz e r op a d d i n g ) 。 1 3 2 国内研究现状 就国内而言，虽然，在长周期伪码捕获方法领域起步较晚，还处于初级阶段， 对p 码的捕获还大多采用c a 码引导的方法，但是，在研究以p 码为代表的长周 期伪码结构及特性的同时，研究并实现了现有的捕获算法，在此领域取得了一定 的进展。例如，基于频域f f t 的本地驻留双向搜索法n ，时域一频域相结合、串并 行混合的捕获算法n “，以及在等单位所开展的工程中，也提出 并采用了相应的算法来实现对长周期伪随机码的直接捕获。 综上所述，由于长周期伪码的捕获在g p s 相关研究领域中起到了举足轻重的 作用，在此领域的研究将会被越来越多的人所关注，对其深入研究也将是国内未 来发展的核心之一。 1 4 基于f p g a 嵌入式技术的发展状况 s o c 设计技术始于2 0 世纪9 0 年代中期，它是一种系统级的设计技术。如今， 电子系统的设计已不再是利用各种通用集成电路i c 进行印刷电路板p c b 的设计和 调试，而是转向以大规模现场可编程逻辑阵列f p g a 或专用集成电路a s i c 为物理 载体的系统级的芯片设计。使用a s i c 为物理载体进行芯片设计的技术称为片上系 统技术，即s o c ；使用f p g a 作为物理载体进行芯片设计的技术称为可编程片上系 统技术，即s o p c 。s o c 技术和s o p c 技术都是系统级的芯片设计技术( 统称为广义 s o c ) 。 一4 一 第1 章绪论 美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年提出s o f t 技术，s o p c 设计技术涵盖了嵌入式系 统设计技术的全部内容，除了以处理器和实时多任务操作系统( r t o s ) 为中心的 软件设计技术、以p c b 和信号完整性分析为基础的高速电路设计技术以外，s o p c 还涉及目前以引起普遍关注的软硬件协同设计技术，被称为“半导体产业的未 来”。 目前g p s 芯片开发流行的趋势是： ( 1 ) 三片g p s ：g p sr f + g p sb a s e b a n d ( a s i c ) + c p u ( 2 ) 两片g p s ：g p sr f + g p sb a s e b a n d ( a s i c + c p u ) ( 3 ) 单片g p s ：s i n g l ec h i pg p s ( r f 十b a s e b a n d + c p u ) 1 5 论文的结构 第二章主要阐述g p sp 码信号的产生原理，以及其特性。 第三章主要阐述g p sp 码直接捕获技术，详细介绍了x f a s t 算法和均值算法 以及课题组提出的时频域相结合的捕获算法。 第四章详细介绍基于f p g a 的嵌入式开发流程。 第五章详细说明基于时频域相结合捕获算法的捕获处理器的系统级设计，以 及硬件设计和软件设计。 第六章是捕获处理器的实现部分，包括关键器件的选择，以及各个功能模块 的实现，并对每一个功能模块进行了时序仿真。 第七章对捕获处理器进行测试。 一5 一 第2 章g p sp 码信号 第2 章g p sp 码信号 2 1g p s 卫星信号的构成 g p s 系统采用c d m a “，体制，系统以码分多址形式区分各卫星信号。目前g p s 系统是部分公开的，采用的伪随机码有c a 码、p ( y ) 码等。g p s 卫星发射的信号 包含有三种成分，即数据码( 或称为导航电文、d 码) 、测距码和载波。这三种信 号分量都是在同一种基本频率f o = l o 2 3 m h z 的控制下产生的( 图2 1 ) 。 图2 1g p s 卫星信号示意图 g p s 卫星天线发射的信号，是数据码经过两级调制后的信号。第一级调制是 用低频数据码分别调制高频c h 码和p 码，实现对数据码的伪随机码扩频。第二 级调制是将第一级调制的组合码再通过二进制相移键控( b p s k ) 分别调制到两个 载波频率( l 和l u ) 上。最后，卫星向地面发射两种己调制的载波( 图2 2 ) 。 叠巫夏二卜一 图2 2g p s 卫星信号的构成 一7 一 l l 信号 l 2 信号 沈阳理工大学硕士学位论文 如果以s 。( t ) 和s 。( t ) 分别表示载波l 和l 2 的已调载波，则经过二级调制后 的g p s 卫星发射信号可以表示为： s ( f ) = 一，毋( r ) d ，( t ) c m s ( o h t + 卉f ) + 如c ( f ) d f ( t ) s i n ( 6 0 d + 。) s n ( o = 邬毋( f ) d 。( t ) c o s ( o ”2 t + 如) 其中： 广一调制在l 上的p 码的振幅； b p - 一调制在l ：上的p 码的振幅； p 。( t ) 第i 颗卫星发射的p 码； d 。( t ) 第i 颗卫星发射的导航电文； 广一调制在l 。上的c a 码的振幅； c 。( t ) 第i 颗卫星发射的c a 码； u 载波l 角频率； ( i ) ：载波l ：角频率； 由载波l 的初始相位； 由。载波l 2 的初始相位。 2 2p 码产生原理 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) g p sp 码产生原理如图2 3 所示n “。 g p sp 码由4 个1 2 位的移位寄存器的p n 序列产生，这4 个移位寄存器称为 x i a 、x 1 b 、x 2 a 和x 2 b 。 通常1 2 级移位寄存器产生的m 序列的最长周期为2 n - 1 = 4 0 9 5 ，所有4 个移位 寄存器都进行了截短处理，x 1 a 和x 2 a 在4 0 9 2 个基码之后复位，去掉了最后3 个 基码，x 1 b 和x 2 b 在4 0 9 3 个基码之后复位，去掉了最后2 个基码。这就使得每次 循环之后，x 1 b 和x 2 b 都分别滞后x i a 和x 2 a 一个基码。 x 1 a 和x i b 的输出经过异一或运算生成x l 序列，x 1 历元定义为3 7 5 0 个x i a 循环，当x i a 循环了3 7 5 0 次，或者说产生了4 0 9 2 3 7 5 0 = 1 5 3 4 5 0 0 0 个基码时，便 发生了一个1 5 s 的x l 历元。x 2 a 和x 2 b 的输出经过异一或运算生成x 2 序列，x 2 历元的定义与x 1 历元的定义相似，只有一点不同，当x 2 a 循环了3 7 5 0 次之后， 还要经过3 7 个基码的时延，才会发生一个x 2 历元。x 2 序列被延迟i 个基码之后 一8 一 第2 章g p sp 码信号 形成x 2 i ，第i 颗卫星的p 码是由x l 和x 2 i 的输出经过异一或产生。 在每一个x 1 历元内，x i b 循环3 7 4 9 次，产生4 0 9 3 3 7 4 9 = 1 5 3 4 4 6 5 7 个基码， 与一个x 1 历元内产生的基码个数相差3 4 3 个，x 1 b 在这3 4 3 个基码周期内保持最 后一个值不变。在每一个x 2 历元内，当x 2 a 循环了3 7 5 0 次之后，与一个x 2 历元 内产生的基码个数相差3 7 个，在这3 7 个码元周期内x 2 a 保持不变。同样，x 2 b 在最后3 8 0 个基码周期内保持不变。 图2 3g p sp 码产生器原理图 每一个移位寄存器都在周期末尾进行复位，在一个星期内所经历的x 1 历元的 个数为4 0 3 2 0 0 个，其中x i a 可以在星期末尾完成一个整周期的循环，其他3 个移 位寄存器都略有差异。在一星期最后的一个x 1 a 循环内，当其他3 个移位寄存器 一9 一 沈阳理工大学硕士学位论文 都产生完各自短周期的最后一个基码后，将保持最后状态，直到一个新的x l 历元 开始。 如果p 码是由x l 和x 2 经过异一或运算产生的，并且在星期末尾没有进行复位， 其可能的长度为1 5 3 4 5 0 0 0 1 5 3 4 5 0 3 7 = 2 3 5 5 l o “，基码码速为l o 2 3 m h z ，因此 序列的周期为2 6 6 4 1 天或者3 8 0 5 8 星期。然而由于序列在星期末尾被截断，每 颗卫星只用序列的一个星期，有3 8 个独特的一星期的序列可用。1 3 2 号伪码序 列保留作空间区段用，3 3 3 7 号伪码序列留作其他用途，3 8 号伪码序列有时用作 p ( v ) 码接收机的测试码。 用于产生p 码的4 个移位寄存器的特征多项式和初始状态m ，如表2 i 所示： 表2 ip 码特征多项式和初始状态 寄存器生成多项式初始状态 x l al + x 6 + x 8 + x 1 1 + x ”0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 x 1 bl + x 1 + x 2 + x 5 + x 8 + x 9 + x 。o + x 1 1 + x 1 20 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 x 2 hl + x + x 3 + x + x 5 + x 7 + x 。+ x 9 + x 1 0 + x ”+ x 1 2i 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 x 2 b1 + x 2 + x 3 + x 4 + x 8 + x 9 + x ”0 1 0 1 0 1 0 l o l 0 0 不同卫星产生的初始基码分别为： 表2 2 不同卫星初始基码 卫星号前1 2 个p 码基码( 八进制) l4 4 4 4 24 0 0 0 34 2 2 2 44 3 3 3 54 3 7 7 64 3 5 5 74 3 4 4 1 0 一 第2 章g p sp 码信号 84 3 4 0 94 3 4 2 1 0 3 74 3 4 3 2 3p 码特性 ( 1 ) 自相关函数 g p sp 码的自相关函数可以用下式来表示： 晰) = 六必( f ) 毋( t + r ) d t 其中：n = 6 1 8 7 1 0 4 1 0 ”p 码的周期； t p = 9 7 8 n s 基码的宽度； p 。( t ) t 时刻第i 颗卫星的p 码； t 自相关函数中时间移动的相位。 ( 2 ) 互相关函数 g p sp 码理想的互相关函数可以用下式来表示： 嘞( f ) 2l 只( f ) 巴( h f ) a t 2o 其中：p 。( t ) t 时刻第i 颗卫星的p 码； p ，( t ) t 时刻第j 颗卫星的p 码； ( 3 ) 功率谱 g p sp 码的功率谱可以用下式来表示： s ( ) = 寺t p c s p ( + ) 一p c s p 佃一) 】 其中：p 广未经调制的载波功率； 。载波频率； s ，( u 。) 基带上p 码的功率谱。 ( 4 ) 特性曲线n ” ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) g p sp 码的自相关特性曲线、互相关特性曲线和功率谱密度曲线如下所示 沈阳理工大学硕士学位论文 一州删 图2 4p 码特性曲线 由图2 4 可以看到，g p sp 码具有良好的自相关特性和很弱的互相关性。 2 4o o p p t e r 频移 由于g p s 卫星在高速运动，其与接收机之间存在径向运动，会产生d o p p l e r 效应。因此，对于地面静止的g p s 接收机而言，载波到达用户时的频率不等于其 发生频率，而是在此频率的基础上增加了5 k h z 左右的d o p p l e r 频移。为了完成 对某一卫星导航数据的解调，必须搜索到相应卫星所产生的d o p p l e r 频移的数值， 这个过程称为载波捕获。由径向运动产生的d o p p l e r 频移可以通过式( 2 - 6 ) 计算： 厶= 翌磐 ( 2 6 ) 其中：v 厂卫星与用户的相对径向运动速度； c 光速： f 。载波频率； f 广d o p p l e r 频移量。 一1 2 一 第3 章6 p sp 码直接捕获技术 第3 章g p sp 码直接捕获技术 3 1x f a s t 算法 x f a s t 技术是建立在被捕获伪码优良的自相关特性基础上的，码的自相关性 能越好，则处理的效率越高。扩展复制重叠技术的核心是将一段很长的伪码分成 m 个子段，每段伪码的长度为l ，将各子段的对应位进行简单的算术叠加，形成一 个新的长度为l 点的重叠码段。经过处理后，一个l 点的码段可以包含长度为m x l 的码段的信息，从而扩展了一次捕获操作的搜索范围，因此称之为扩展复制 重叠捕获技术。 x f a s t 算法利用了码的子序列的互相关特性，利用m 个子码，f f t 的计算量可 以减小到1 m ，同时还将不确定区域扩大到m 倍。 由于对伪码序列进行扩展运算，虽然提高了运算速度，同时也增加了峰值的 不确定性，原因是很清楚的，经过扩展运算得到的峰值，只能表明接收数据与这 m 个子段之一有良好的相关性，但究竟是哪一段伪码序列还不确定。 因此，使用x f a s t 算法捕获伪码序列主要包含两个阶段：一是获取峰值的阶 段，二是去除模糊度的阶段。 ( 1 ) 获取峰值 x f a s t 算法获取峰值步骤： s t e p l ：对g p s 接收信号进行d o p p l e r 补偿： s t e p 2 ：采样，得到序列g = g 。，g ：，g 。) ，序列的长度为l ； s t e p 3 ：根据时间信息产生本地伪码序列f = f ，f 。：，f 。，f _ 。，扎，k ) ， 本地伪码序列的长度为m l ； s t e p 4 ：对本地伪码序列进行叠加处理，即将序列f 分成m 段，得到本地伪码 序列的子序列f ，f 2 ，r ，每段长度为l ，对这m 个子序列进行叠加处理，经过 叠加处理形成一个新的序列f = f 。，f ：，f 。 ，序列的长度为l ： s t e p s ：对两个序列进行循环相关运算； s t e p 6 ：将最大峰值与所设门限值进行比较，如果最大峰值符合相关峰值判决 则进入s t e p 7 ，否则返回s t e p 3 ； 一1 3 沈阳理工大学硕士学位论文 s t e p t ：去除模糊度； s t e p 8 ：得到最大峰值位置，结束。 图3 1x f a s t 算法获取峰值流程 ( 2 ) 循环相关运算 循环相关运算步骤： s t e p l ：对接收数据进行f f t 变换； s t e p 2 ：对s t e p l 的变换结果取共轭得到f f t * ； s t e p 3 ：对伪码序列进行f f t 变换； s t e p 4 ：对s t e p 2 和s t e p 3 的变换结果进行乘法运算； s t e p 5 ：对s t e p 4 的运算结果取i f f t ； s t e p 6 ：对s t e p 5 的变换结果取绝对值，结束。 一1 4 第3 章6 p sp 码直接捕获技术 ( 3 ) 去除模糊度 图3 2 循环相关运算流程 图3 3x f a s t 算法去除模糊度流程 去除模糊度的操作只需将每一段长度为l 的本地伪码序列分别与原长度为l 的接收数据进行循环相关运算，将结果与门限值比较就可以得到。 一1 5 沈阳理工大学硕士学位论文 假设获取峰值模块得到的峰值位置为i l l ，很显然这个值就是峰值位置的偏移 量，经过去除模糊度操作后得到峰值在第p 段伪码子序列上，那么可以得到峰值 位置为t + ( p - 1 ) l + m ，其中t 为起始时刻。 3 2 均值算法 均值法是以循环相关的理论为基础而提出的一种快速p 码捕获的算法，它不 仅采用了循环相关的方法使搜索的时间覆盖域扩大，而且通过分段补零的方法很 好地实现了频域的码多普勒频移补偿。但是，如果平均的码段越长，它的码相位 偏移就会越大，峰值检索的性能越差，因此平均的码段长度不能过长，在时域上 的检索范围就受到了限制。 ( 1 ) 获取峰值 均值算法获取峰值步骤： s t e p l ：对接收信号进行d o p p l e r 补偿； s t e p 2 ：采样，采样得到的序列为g = g ，9 2 ，”，g 。 ，序列长度为l i ； s t e p 3 ：对长度为l i 的接收数据进行均值处理，每i 个数据进行一次均值 运算，经过均值处理后，得到的序列为g = g 。，g ：，g 。 ，序列的长度为l ； s t e p 4 ：在序列g = g ，g 。，g 。 的末尾添加l 个零，产生一个新的序列g ” = g 。，g 自，g 。g 。，g l + 2 j sr e g ：。) ，其中g t + l = g 。一- g 。= 0 ，这时序列的长度为2 l ： s t e p 5 ：根据给定时间信息，产生本地伪码序列f = f 。，f ：，f 孔； ，伪码序列 的长度为2 l i ； s t e p 6 ：对长度为2 l i 的本地伪码序列求取均值，其中每i 个基码进行一次 均值运算，经过均值运算产生一个新的序列f = f 。，f ：，f ：。 ，序列的长度为2 l ： s t e p 7 ：循环相关运算，其过程与图3 2 所示相一致； s t e p 8 ：将最大峰值与所设门限值进行比较，如果最大峰值符合相关峰值判决 则进入s t e p 9 ，否则重新返回s t e p 5 ； s t e p 9 ：去除模糊度： s t e p l 0 ：找到最大峰值的准确位置，结束。 1 6 第3 章g p sp 码直接捕获技术 图3 4 均值算法获取峰值流程 ( 2 ) 去除模糊度 假设获取峰值过程得到的峰值位置为m ，显然最大峰值位置在m - m + i 这个范 围内，因此可以从m x ( i - i ) 时刻开始产生长度为l 的本地伪码序列，与从m x ( i - 1 ) 时刻开始的接收数据进行循环相关运算，经过运算得到的峰值位置为p ，那么峰 值的准确位置就是t + m x ( i - i ) + p ，其中t 为起始时刻。 一1 7 一 沈阳理工大学硕士学位论文 图3 5 均值算法去除模糊度流程 3 3 时频域相结合的捕获算法 x f a s t 算法和均值算法各有优点，同时也各有不足。 对于x f a s t 算法，l 的值越大，则算法单次运行的时间越长，但是由于进行 了扩展运算，当不存在峰值的时候，可以明显减小捕获时间，同时，l 的值越大， 峰值就越明显；m 的值越大，当不存在峰值的时候，同样可以明显减小捕获时间， 但是m 的值越大，峰值就越模糊。 对于均值算法，l 的值越大，则算法单次运行的时间越长，但是当不存在峰 值的时候，可以明显减小捕获时间，同时，l 的值越大，峰值就越明显：i 的值越 大，当不存在峰值的时候，同样可以明显减小捕获时间，但是i 的值越大，峰值 就越模糊。 因此，可以结合x f a s t 算法和均值算法，采取一种新的对g p sp 码序列直接 捕获的算法u ”。 ( 1 ) 本地码扩展叠加。产生m 段本地伪码序列，每段序列的长度为l xi ，这 样，本地伪码序列的总长度为l xi m ，将这m 段子序列的对应位分别进行算术 叠加运算，形成一个新的序列，其长度为l xi ； ( 2 ) 均值补零。存储长度为k i 的接收数据，每i 个数据进行一次均值运算， 得到的序列长度为k ，其中k = l 2 。同样对扩展叠加后的本地伪码序列进行均值运 算，每i 个数据进行一次均值运算，得到的序列长度为l 。此时，接收数据和本 一1 8 第3 章g p sp 码直接捕获技术 地伪码序列的长度并不相等，可以在接收数据末尾补k 个零，使其长度等于l 。 ( 3 ) 循环相关运算。频域伪码捕获属于信号批处理，系统需要缓存一批数据后， 才能进行一次捕获处理，根据处理结果确定是否需要重新采集数据。因此，在一 次捕获过程中，接收数据是不变的。这样，对扩展复制重叠技术可以采用循环相 关的方法来实现。 图3 6 时频域相结合捕获算法流程 时频域相结合捕获算法流程说明： s t e p l ：对采样数据进行d o p p l e r 补偿； s t e p 2 ：对g p s 信号进行采样，得到的序列为g = g ，g 。，g 。 ，此时此序列 的长度i k ； s t e p 3 ：对序列g = g ，g ：，g 。) 进行均值处理，即每i 个点进行一次均值运 算，经过均值运算后得到序列g = g 。，g 。，g 。 ，此时序列的长度为k ； 一】9 一 沈阳理工大学硕士学位论文 s t e p 4 ：在序列g = g ，9 2 ，g - 的末尾添加k 个零，得到序列g ” = g i ，9 2 ，g k ，g ，9 2 k 其中g k 1 = g k + 2 - c 9 2 k - 0 ； s t e p 5 ：根据时间信息，产生本地伪码序列f = f ，f 2 ，”，f 。“ ，其中本地伪 码序列的长度为m x 2 k xi ，可以将此序列分为m 段，每段子序列的长度都是2 k x i ； s t e p 6 ：对本地伪码序列f = f i ，f ”，f 。， 做扩展处理，由于将整个伪码序 列分成了m 段，因此，可以将这m 段序列对应位分别相加，得到一个新的序列f = f f 。，f 2 ，f 。 ，序列的长度为2 k xi ； s t e p t ：对经过扩展处理的本地伪码序列做均值处理，即将每i 个数据做一次 均值运算，经过均值运算后，得到的序列为f ”= f 。，f 2 i ”，f ：。 ，序列的长度为2 k ， 这个长度等于经过处理的接收序列的长度； s t e p 8 ：循环相关处理； s t e p 9 ：根据所设置的门限值进行门限判决，如果运算结果大于所设门限值， 则进入s t e p l 0 去除模糊度，如果运算结果小于所设门限值，则进入s t e p 5 重新产 生本地伪码序列； s t e p l 0 ：去除扩展模糊度； s t e p l l ：去除均值模糊度； s t e p l 2 ：获得峰值准确位置，结束。 去除扩展模糊度的方法和去除均值模糊度的方法在前面已经介绍过，这里不 再重复。 一2 0 第4 章基于f p g a 的嵌入式开发 第4 章基于f p g a 的嵌入式开发 4 1m i c r o b l a z e 系统 一个典型的m i c r o b l a z e 系统如图4 1 所示，处于核心地位的是软核处理器 m i c r o b l a z e 。可以在x i l i n x 公司任何系列f p g a 上创建m i c r o b l a z e ，占用一定的 内部资源。处理器通过l m b ( 本地存储器总线) 总线与数据存储器和指令存储器 进行交互。l m b 总线可在单个时钟周期内访问片内存储器b r a m 。处理器通过o p b 总线与i p 核进行交互，这些i p 核包括微处理器调试模块、文件系统、存储器控 制器、通用输入输出设备、d d r 控制器、u a r t 、中断控制器以及用户i p 核。通 过这些i p 核又可以与f p g a 片外资源进行交互。 存储器控制嚣 m i c m b l a z e 1 0 p b 微处理器 调式模块 文件系统 图4 1 典型的m i c r o b l a z e 系统结构 j t a g 以太网 f l a s h d d