（通信与信息系统专业论文）基于fpga的gps中频数据采集及网络传输系统设计.pdf

， n a n ji n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s 刀始g r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y iq y l l l l1 1 i i i l u l i i i l l l l1tli l l qlllll8259211iil3ly 1 t h e d e s i g no f t h eg psi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yd a t a a c q u i s i t i o na n d n e t w o r kt r a n s m i s s i o nba s e do nf p g a a t h e s i si n c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m b y c u ih a i f e n g a d v i s e db y p r o f e s s o rs o n gm a o z h o n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s m a s t e ro f e n g i n e e r i n g d e c e m b e r , 2 0 0 9 j 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 j 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，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、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 近几年来，随着计算机技术和网络技术的不断发展，基于网络平台的数据共享和数据处理 正得到人们的广泛关注和应用。本文以g p s 中频数据的局域网信息处理为目的，基于可编程片 上系统( s o p c ) 技术和f p g a 硬件，研究了g p s 中频数据的采集及网络传输技术，解决了数 据采集与网络传输中的关键问题。主要工作如下： 设计了g p s 中频数据采集与网络传输的系统方案。方案采用g p 2 0 1 5 射频前端将g p s 信号 进行下变频和中频放大，然后用a d 9 4 3 3 将g p s 中频模拟信号进行采集和量化，并通过f p g a 实现数据的缓存和预处理。最后通过以太网芯片实现数据网络传输。 根据系统需求，利用s o p c 技术在f p g a 内完成了处理器的定制、各标准外设接口配置和 用户自定义外设接口的定制。并且使用f p g a 硬件资源控制a d 实现了数据的采集、量化和缓 存。对嵌入式操作系统c o s - n 的原理和移植进行了研究，并对系统中各个任务进行了设计、 实现和调度。基于p c o s - i i 操作系统，使用轻量i p ( l i g h tw e i g h ti f ) 协议栈实现了网络传输 功能。 在p c 端，通过m f c 的网络应用开发类c a s y n c s o c k e t 实现了g p s 中频数据的接收和保存， 利用w i n d o w s 消息机制开发了应用程序友好界面。通过测试验证了数据采集和网络传输方案的 可行性和正确性。 关键诃：全球定位系统，现场可编程门阵列，数据采集，可编程片上系统，网络传输 基于f p g a 的g p s 中频数据采集及网络传输系统设计 a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k t e c h n o l o g y , t h ee x t e n s i v ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt od a t as h a r i n ga n dp r o c e s s i n gb a s e do nn e t w o r k p l a t f o r ma n dm u c he f f o r th a sb e e nm a d et ou t i l i z ei t w i t ht h ep u r p o s eo fp r o c e s s i n gg p s i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yd a t ab yl a n ，t h i sp a p e rc o n c e n t r a t e so nt h er e s e a r c ho ft h et e c h n o l o g yo f g p si fd a t aa c q u i s i t i o na n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o nb a s e do ns o p ca n df p g a i ta l s os o l v e ss o m ek e y p r o b l e m si nt h ep r o c e s so fd a t aa c q u i s i t i o na n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf 0 1 1 0 w s d e s i g nt h es y s t e ms c h e m eo fg p si fd a t aa c q u i s i t i o na n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n i nt h i sd e s i g n s o l u t i o n , w i t hg p 2 0 15 r ff r o n t - e n d i m p l e m e n t i n gg p ss i g n a ld o w nc o n v e r s i o na n di f a m p l i f i c a t i o n , a n dt h e ns a m p l i n ga n dq u a n t i f y i n gt h ea n a l o gs i g n a lo fg p si fb ya d 9 4 3 3 ，a n d r e a l i z e st h ed a t ab u f f e ra n dp r e t r e a t m e n tt h r o u g hf p g a f i n a l l y , i m p l e m e n tt h en e t w o r kt r a n s m i s s i o n o f d a t av i ae t h e m e t c h i p a c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t , c o m p l e t et h ec u s t o m i z a t i o no fp r o c e s s o r , v a r i o u ss t a n d a r d a n du s e r - d e f m e d p e r i p h e r a l d e v i c ei n t e r f a c e s a n dc o n t r o la dt or e a l i z ed a t a a c q u i s i t i o n , q u a n t i f i c a t i o na n db u f f e rt h r o u g ht h eh a r d w a r er e s o u r c eo ff p g a r e s e a r c ht h ep r i n c i p l ea n dp o r t i n g o fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi t c o s - i i ，a n dt h e nr e a l i z ev a r i o u st a s k si nt h i ss y s t e m i m p l e m e n tt h e f u n c t i o no fn e t w o r kt r a n s m i s s i o nu s i n gl i g h tw e i g h ti pp r o t o c o ls t a c kb a s e do nt t c o s i io p e r a t i n g s y s t e m c o m p l e t et h eg p si fd a t ar e c e i v i n ga n dp r e s e r v a t i o nt h r o u g ht h en e t w o r ka lpd e v e l o p m e n t c l a s sc a s y n c s o c k e to fm f c ，a n dd e v e l o paf r i e n d l yi n t e r f a c eo fa p p l i c a t i o nb yw i n d o w s m e a s a g eo n t h ep c v e r i f yt h ef e a s i b i l i t ya n dc o l t c c t n e s so ft h ed a t aa c q u i s i t i o na n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o nb y t e s t i n g k e y w o r d s ：g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m , f i l e d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，d a t aa c q u i s i t i o n , s y s t e m o np r o g r a m m a b l ec h i p ，n e t w o r kt r a n s m i s s i o n 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 论文的研究背景1 1 1 1g p s 系统概况及应用l 1 1 2 基于网络平台的信息处理l 1 1 3s o p c 技术国内外发展现状2 辟1 2 论文的研究意义和研究现状2 善。 1 3 论文的主要研究工作和章节安排4 冀- 1 3 1 论文的主要研究工作。4 譬： 1 3 2 论文章节安排4 第二章系统总体设计概述。5 2 1 系统总体结构。5 2 2 系统主要组成模块介绍5 第三章s o p c 系统设计1 0 3 1s o p c 及其技术麓等1 0 3 2n i o si i 处理器系统1 1 3 2 1n i o s 处理器体系结构。1 2 3 2 2a v a l o n 总线技术。1 3 3 2 3 外围设备1 4 3 3s o p c 系统平台的设计1 5 3 4s o p c 系统平台的构建1 6 3 4 1n i o si i 外围系统设计1 7 3 4 2 利用s o p cb u i l d e r 构建系统。1 9 第四章嵌入式操作系统p c o s i i 的实现和任务设计2 4 4 1 嵌入式操作系统2 4 4 2i j c o s i i 的内核结构2 6 4 3p c o s i i 在n i o s 上的移植和配置2 6 4 4 系统的任务设计2 9 4 4 1 系统的任务管理2 9 4 4 2 系统任务的调度3 2 i i i 基于f p g a 的g p s 中频数据采集及网络传输系统设计 4 4 3 时钟处理。3 2 4 4 4 系统任务间的通讯与同步3 3 4 4 5 系统任务实现3 4 第五章系统各功能模块的开发。3 6 5 1n i o si i 集成开发环境。3 6 5 2 硬件抽象层( h a l ) 系统库3 7 5 3 数据采集模块的控制3 8 5 4 数据存取模块设计3 9 5 4 1c f 卡简介3 9 5 4 2c f 卡t r u ci d e 模式中的寄存器4 0 5 4 3c f 卡的读写4 3 5 5 以太网模块的实现4 5 5 5 1t c p i p 协议简介4 5 5 5 2 协议栈的选择4 6 5 5 3l w i p 的进程模型4 7 5 5 4 以太网模块的软件开发4 7 第六章p c 端接收程序设计及系统测试5 3 6 1g p s 数据采集p c 端接收程序设计及实现5 3 6 1 1p c 端g p s 数据接收软件设计5 3 6 1 2p c 端g p s 数据接收软件实现。5 4 6 2 系统测试5 6 结束语5 8 参考文献。5 9 致谢6 ：! 在学期间发表的论文：。6 3 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图2 1 系统总体结构图5 图2 2g p 2 0 1 5 内部功能框图6 图2 3a d 9 4 3 3 功能框图7 图2 4l a n 9 1 c 1 1 1 内部功能框图8 图3 1n i o si i 处理器结构1 3 图3 2s o p c 系统结构图1 5 图3 3s o p c 的软硬件开发环境及流程1 7 图3 4 双口r a m 1 8 图3 5 数据采集模块l8 图3 6s o p cb u i l d e r 中的配置图2 l 图3 7n i o si i 系统模块图：2 2 j 。 图3 8 系统时钟模块2 3 图3 9 延时模块2 3 图4 1t t c o s - n 的内核结构黛2 6 图4 2 p c o s i i 体系结构2 7 图4 3p c o s - i i 内核配置2 8 d 图4 4 任务的状态。篇3 0 图4 5 系统任务间数据流框图3 4 图5 1h a l 系统库结构3 7 图5 2c f 卡内部结构框图4 0 图5 3c f 卡核的结构图4 l 图5 4c f 卡数据读写流程4 4 图5 5t c p i p 协议族的四个层次。4 5 图5 6l w i p 软件层次图4 8 图5 7n i o si ii d e 中l w i p 配置5 0 图5 8 流式套接字的应用程序图5 2 图6 1g p s 中频数据p c 端接收软件框图5 4 图6 2g p s 数据接收系统5 5 图6 3 数据包概况5 6 v 基于f p g a 的g p s 中频数据采集及网络传输系统设计 图6 4 捕获结果5 7 表4 1 任务的优先级3 l 表5 1p i o 核的寄存器映像。3 8 表5 2c f 核i d e 寄存器地址4 1 表5 3c f 卡核的c t l 寄存器地址4 3 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 g p s s o p c f p g a s o c p l d d s p m c u l w i p a s i c c p l d h a l a p l p l l d m a m a c t c p 皿p e d a 伍 i d e 加 注释表 g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s y s t e mo nc h i p p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g m i c r oc o n t r o lu n i t l i g h tw e i g h ti p a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e p h a s el o c k e dl 0 0 p d i r e c tm e m o r ya c c e s s m e d i aa c c e s sc o n t r o l t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c l u s e rd a t a g r a r np r o t o c o l e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t a n a l o g d i g i t a l 全球定位系统 可编程片上系统 现场可编程逻辑门阵列 片上系统 可编程逻辑器件 数字信号处理 微控制单元 轻量口 专用集成电路 复杂可编程逻辑器件 硬件抽象层 ? 警 应用程序编程接口 锁相环 直接存储器访问j 媒体访问控制 传输控制协议 用户数据包协议 i 电子设计自动化 中频 集成开发环境 模数 v 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 1 1 1g p s 系统概况及应用 全球定位系鲥1 心( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 是美国从2 0 世纪7 0 年代由美国陆海 空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实 时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是 ；美国独霸全球战略的重要组成。经过2 0 余年的研究实验，耗资3 0 0 亿美元，到1 9 9 4 年3 月， 全球覆盖率高达9 8 的2 4 颗g p s 卫星星座已布设完成。经过2 0 多年的实践证明，g p s 系统是 ， 一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。g p s 技术已经发展成 二 为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。 全球定位系统的主要特点有：全天候；全球覆盖：高精度三维定速、定时；快速省时高效 率；应用广泛多功能。 g p s 卫星所发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的空间信息资源。陆地、海洋 和空间的广大用户，只要持有一种能够接收、跟踪、变换和测量的g p s 信号接收机，就可以全 天候和全球性地测量运动载体的七维状态参数和三维姿态参数。其用途之广，影响之大，是任 何其他无线电接收设备望尘莫及的。不仅如此，g p s 系统还为大地测量学、地球动力学、地球 物理学、天体力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学提供了一种高精度和全天候的测量 新技术。 从上可见，g p s 已成为名副其实的跨学科、跨行业、广用途、高效益的综合性高新技术。 目前基于g p s 的服务正在吸引越来越多的商业目光，必将给人们的生活带来更多的便利。 1 1 2 基于网络平台的信息处理 以前，集中式计算机时代主要把所有用户的数据和应用程序都集中于一台计算机中进行处 理。现在，随着各种海量数据采集设备和高复杂算法的出现，单纯的依靠单计算机已难以满足 人们对数据处理实时性的要求。随着网络技术和计算机技术的快速发展，基于网络平台的信息 处理便得到了人们的广泛关注和应用。 在遥感图像处理领域【3 】，一方面，由于遥感图像的数据量变的越来越大；另一方面，针对 遥感图像的计算处理变得越来越复杂。只依靠传统的单机运算架构已经难以对遥感图像数据进 行处理，而基于网络，充分利用网络中的p c 机资源，通过分布式协同处理技术便可以对遥感 数据进行实时处理。在对复杂的g p s 算法的研究方面，也可以充分利用网络中的p c 机资源， 基于f p g a 的g p s 中频数据采集及网络传输系统设计 通过分布式处理技术协调网络中的p c 机加快复杂g p s 算法的计算，提高研究效率。 基于网络平台的信息处理系统可以将不同地点的或具有不同功能的或拥有不同数据的多台 计算机用通信网络连接起来，在控制系统的统一管理控制下，协调完成信息处理任务，从而达 到提高运算速率和效率地目的。 1 1 3s o p c 技术国内外发展现状 随着微电子技术的发展，促使集成电路向高速、高集成度、低功耗的系统集成方向发展， s o p c i 4 ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，简称为可编程片上系统) 应运而生。s o p c 将软件和 硬件集成到单个可编程逻辑器件平台中，以获得软件的灵活性和硬件的可重构性。s o p c 综合 了s o c 和p l d 、f p g a 5 各自的优点，集成了硬核和软核c p u 、存储器、外围f o 及可编程逻 辑，用户可以利用s o p c 平台自行设计高速、高性能的d s p 处理器或特定功能的c p u 处理器， 从而使电子系统设计进入一个全新的模式。 s o p c 系统现在已经广泛应用于从消费类产品( 如数字蜂窝手机和数字电视机顶盒) 到高 端通信l a n a v a n 设备的诸多应用中。 s o p c 技术在我国已经受到了前所未有的重视，嵌入式微处理器p 核方面有了长足进展。 如北大计算机系的j b c o r e 3 2 、中芯微系统的方舟一号、二号、中科院计算机所的g o d s o n 等 等，这些3 2 位微处理器核可以证明我国的i c 设计人员已经具有了设计较高性能的微处理器核 的能力。 在国外a l t e r a ，a r m ，a r cc o r e s 等公司都推出了各种配置处理器内核。a l t e r a 和x i l i n x 公司将自己生产的f p g a 与可配置处理器内核结合在一起，推出了s o p c 解决方案。 其中，美国的a l t e r a 公司一直处于s o p c 领域的前沿和领先地位。a l t e r a 公司开发的基于 s o p c 技术的n i o sh 嵌入式处理器已经成为软核嵌入式处理器的标准。它是一个可变结构的、 通用型的r i s c 嵌入式处理器。嵌入式设计者能非常方便的使用a l t e r a 的s o p cb u i l d e r 6 j 系统开 发工具创建基于n i o sh 嵌入式处理器的系统。使用n i o sh 处理器能与使用者的设计思想相结 合，并使用s o p cb u i l d e r 编程到f p g a 内予以实现。整个n i o sh 系统的设计过程充分体现了 其可重配置的思想，体现了面向用户，面向应用的s o p c 技术设计思想。除此之外，应用与n i o s i i 相关的集成开发平台和辅助开发工具，可以加快n i o sh 系统的设计与验证环节的开发速度， 对于产品的开发将获得最好的设计灵活性和易用性。 由此可见，s o p c 是现代电子技术和电子系统设计的汇聚点和发展方向。a l t e r a 公司开发的 基于s o p c 技术的n i o sh 嵌入式处理器在用户系统开发方面有很大的优势。 1 2 论文的研究意义和研究现状 从上节可以看出，对基于网络平台的信息处理系统的研究有很大的意义。本文以g p s 中频 2 南京航空航天大学硕士学位论文 数据的采集和处理为例，运用s o p c 技术，构建了基于f p g a 的g p s 数据采集及网络传输系统， 为基于网络平台的信息处理奠定了基础。 现在，控制a d c 进行数据采集的方法主要有：采用单片机或d s p t 7 】作为微控制器，控制模 数转换器a d c 及其他外围设备的工作，来进行数据采集。但是由于单片机运行的时钟频率较 低，并且单片机是基于顺序语言的，各种功能都要靠软件的运行来实现，因此随着程序量的增 加，如果程序的健壮性不好，可能会出现“程序跑飞”和“复位”现象。d s p 的运算速度快， 处理复杂的乘加运算有一定的优势，但是很难完成外围设备的复杂硬件逻辑控制。因而单片机 或d s p 很难满足高速数据采集系统对实时性和同步性的要求。f p g a 时钟频率高，内部延时 小，运行速度快，全部控制逻辑由硬件完成。它本身集采样控制、处理、缓存、传输控制、通 信于一个芯片内，编程配置灵活、开发周期短、系统简单，具有高集成度、体积小、低功耗、 v o 端口多、在系统编程等优点。在高速数据采集系统中，f p g a 可以克服上述单片机或d s p 的 不足之处，满足系统对实时性和同步性的要求【8 】。因此，本文采用f p g a 的硬件逻辑资源实现 g p s 中频数据的采集、量化和缓存。 随着数据通信网络带宽的不断增加，快速以太网和千兆以太网已经被广泛作为内联局域网乏 和骨干网的解决方案。在数据采集、处理和控制系统中，网络化是必然的方向。 目前，嵌入式网络接入方面有一下几种方法【9 】： 1 基于通用微控制器的网络接入。“ 使用通用微控制器实现网络接入时，可以有以下两种实现方案：a 当使用单m c u 处理时， 网络部分占用c p u 大量的运算时间，使整个系统效率变低。b 当使用多m c u 协同工作时， 其中一个m c u 负责处理网络信息，同时把网络数据同主控m c u 通过总线进行交换，因为需 要多m c u 同时处理数据，所以就很难保证系统较好的实时性。 2 基于嵌入式处理器的网络接入 专用嵌入式处理器设计复杂，系统工程浩大，需要较大的人力与物力的投入，嵌入式处理 通常硬件资源固定，不利于系统升级和扩展。不适合小规模或模块化的研究开发。 3 s o p c 技术运用于网络接入技术 这种系统的主要优势在于：采用基于s o p c 技术的n i o sh 软核处理器实现网络接入可以 简化系统设计，降低系统的开发难度，缩短开发周期，降低成本。因为n i o s 系统的内部设 备和外围设备接口都是以口核形式出现的，这样在设计时，就可以根据需要选择相应口核 添加到系统里，并且可以根据需要进行更改。并且a l u m 公司提供的l ，w 口方便了网络传输的 研究与开发，因此，本系统运用s o p c 技术，把“c o s 与l w 口相结合的方法实现网络功能。 3 基于f p g a 的g p s 中频数据采集及网络传输系统设计 1 3 论文的主要研究工作和章节安排 1 3 1 论文的主要研究工作 本文主要完成了基于f p g a 的g p s 中频数据采集及网络传输。具体来说本文主要做了如下 研究工作： ( 1 ) 针对课题的设计要求，给出了系统的总体设计方案。对f p g a 、可编程片上系统( s o p c ) 和n i o si i 做了较为深入的研究，并根据课题的需求，利用s o p c 技术在f p g a 内完成了处理器 的定制、各标准外设接口配置和用户自定义外设接口的定制。利用f p g a 的硬件逻辑资源实现 了前端g p s 中频数据的采集、量化和缓存。 ( 2 ) 对嵌入式操作系统i t c o s i i 的原理和移植进行了分析。根据系统的需求，确定了在 s o p c 系统上使用t t c o s i i 操作系统，并对系统的各个任务进行了设计和调度。 ( 3 ) 对目前能够找到的开源的t c p i p 协议栈进行了比较，选择了代码空间较小，且能较好 实现t c p i p 协议的l w i p 协议栈来进行以太网模块的软件开发。基于操作系统“c o s i i ，运用 l w i p 实现了采集的g p s 中频数据的网络传输。 ( 4 ) 在p c 端，利用v c + + 6 0 和m f c 实现了g p s 中频数据的接收和保存。搭建了测试系 统平台，对系统的可行性和正确性进行了验证。 1 3 2 论文章节安排 第一章：绪论，简单的介绍了论文的研究背景、研究意义和研究现状。 第二章：给出了g p s 中频数据的局域网信息处理系统的总体结构，并介绍了系统中主要的 组成模块。 第三章：重点研究了g p s 中频数据的采集和网络传输，构建了g p s 中频数据采集及网络传 输的s o p c 系统开发平台，实现了自定义组件的设计和前端g p s 中频数据的采集、量化和缓存。 第四章：对当前流行的各种嵌入式操作系统进行比较和分析，最终选择t t c o s i i 作为 本系统的操作系统。分析了嵌入式操作系统p c o s u 的原理和在n i o s 上的移植和配置，并对 系统的各个任务进行了设计、实现和调度。 第五章：在构建的系统开发平台上完成了系统各个功能模块的开发，主要包括数据采集模 块的控制、数据存取模块和以太网模块的实现。 第六章：主要完成了p c 端g p s 中频数据接收系统的设计、系统测试平台的搭建和系统的测 试。 ： 一 。 4 饔 兰 之 篆 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章系统总体设计概述 随着网络技术和计算机技术的迅速发展，基于网络平台的信息处理正得到人们的广泛应用。 本文以g p s 中频数据的局域网信息处理为目的，研究了g p s 中频数据的采集及网络传输。本 章介绍了g p s 中频数据的局域网信息处理系统的总体结构，并且介绍了系统中主要的组成模 块。 。 2 1 系统总体结构 系统的总体结构如图2 1 所示。由图可见，整个系统主要包括天线单元、射频单元、g p s 中频数据采集和网络传输单元以及局域网四部分。系统的工作流程为：g p s 天线将接收的g p s 卫星信号( l 1 波段) 传输进来，经1 5 7 5 4 2 m h z 带通滤波器滤波和低噪声放大器进行适度增益 后，送入g p 2 0 1 5 ；经过g p 2 0 1 5 及其外围滤波器电路组成的射频单元的三次下变频后得到 4 3 0 9 m h z 的g p s 中频模拟信号；此g p s 中频模拟信号在经过中频放大器适度增益后进入 a d 9 4 3 3 ，a d 9 4 3 3 在f p g a 的控制下以5 7 1 4 m h z 的采样频率对此g p s 中频模拟信号进行采样 和量化，量化后的数据经过缓存和存储后通过以太网接口芯片l a n 9 1 c 1 1 1 送入局域网，由局 域网中的p c 机对采集到的数据进行分布式协同处理。 1 5 7 5 4 2 1 5 7 5 4 2 m h z 1 7 5 4 2 m h z 带通滤波器 3 5 4 2 m h z 带通滤波器 g p 2 0 1 5 4 3 0 9 m 中频模拟信号 缓存模块 厮 d 】p r a m 2洲翼hl 以a 辚n 9 1 c 1 占 图2 1 系统总体结构图 本文基于n i o si i 软核处理器和a l t e m 的f p g a 芯片技术， 研究了g p s 中频数据采集、量化、缓存、存储及网络传输。 2 2 系统主要组成模块介绍 1 天线单元 局域网 j 鼬器涔 。 调度主机 以s o p c 技术为实现手段，重点 5 雾 ，_ t 岭 r 基于f p g a 的g p s 中频数据采集及网络传输系统设计 天线单元主要由g p s 天线、1 5 7 5 4 2 m h z 带通滤波器和低噪声放大器组成。主要完成g p s 卫星信号( l i 波段) 的接收、滤波和放大。 2 射频单元 射频单元主要由g p 2 0 1 5 和其外围滤波电路组成。主要将高频g p s 信号下变频到中频。 g p 2 0 1 5 1 1 0 】是z m l i n k 公司生产的t q f p 封装的小型射频前端芯片。g p 2 0 1 5 提供一个低功率、 低成本和高可靠性的g p s 射频前端解决方案。g p 2 0 1 5 包括一个片上合成器、混频器、自动增 益控制( a g c ) 和一个提供符号和量级数字输出的量化器。可以与1 2 信道g p s 相关器g p 2 0 2 1 或g p 4 0 2 0 等g p s 基带处理器配套使用，适合c a 代码全球定位的卫星接收机、时间标准、导 航和测量的应用。 g p 2 0 1 5 的输入信号是自天线下行，经过带通滤波器滤波、低噪声放大器进行适度增益后的 g p s 信号( l i 波段为1 5 7 5 4 2 m h z ) ，此信号作为输入信号与锁相环频率合成器产生的第一本振 信号( 1 4 g h z ) 混频，经1 7 5 4 2 m h z 带通滤波器滤波得到差频信号( 1 7 5 4 2 m h z ) 。该信号与 本振信号( 1 4 0 m h z ) 混频，经过声表面滤波器( 3 5 4 2 m h z 带通滤波器) 中心频率选择得到差 频信号( 3 5 4 2 m h z ) 。该信号随后进入中频信号主放大器，这一部分由两个a g - c 放大器和三级 变频器组成。信号首先经过a g c 放大，然后与第三本振信号( 3 1 i i i m h z ) 混频，经过带通滤 波器选出中频信号( 4 3 0 9 m h z ) 。该中频信号一路送往片内a d 转换器，一路送往管脚l 供测 试使用。 g p 2 0 1 5 的内部结构及外部滤波的示意图如图2 2 所示； 6 图2 2g p 2 0 1 5 内部功能框图 南京航空航天大学硕士学位论文 这里使用的是g p 2 0 1 5 第一管脚的4 3 0 9 m h z 的中频模拟信号，送到a d 9 4 3 3 ，按照 5 7 1 4 m h z 的采样率，采样得到数字中频g p s 信号。 3 模数转换器a d 9 4 3 3 本文选用a d i 公司的模数转换器a d 9 4 3 3 1 1 l 来对g p s 中频模拟信号进行采样。a d 9 4 3 3 是 一种1 2 位单片采样a d 转换器。它具有片上跟踪保存电路，在设计上追求使用方便。该产品 转换速率高达1 2 5 m s p s ，并为适应宽带和高i f 载波系统中的突出动态性能做了优化设计。 这种a d 转换器需要5 v 模拟电源和适合于全性能工作的差分编码时钟。对于许多应用场 合，不需要外部基准和驱动元件。转换器的数字输出与t t l c m o s 电平兼容，其分隔的输出电 源支持3 3 v 或2 5 v 逻辑接口。 f 毒；编码时钟支持差分或单端输人，而且与p e c l 兼容。输出为2 进制或2 的补码格式，用户 留可选择，而且可提供一种超额定界限信号。 蠡 a d 9 4 3 3 条用先进的b i c m o s 工艺制作，使用5 2 引脚热增强塑料方形扁平封装，适用于工 业级温度范围( - - 4 0 + 8 5 ) ，而且其引脚排列与a d 9 4 3 2 兼容。a d 9 4 3 3 的功能框图如图2 3 所示。 v c c a i n e n c o d e e n c o d e g n di 也f l 迎f o u ti n d 1 1 d 0 d f s s f d r 图2 3a d 9 4 3 3 功能框图 4 以太网接口芯片l a n 9 1 c l l l 本文选用以太网接口芯片l a n 9 1 c l l l 1 2 1 实现以太网功能。它是s m s c 公司为嵌入式应用 系统推出的第三代快速以太网控制器。该芯片上集成了遵循c s m a c d 协议的m a c ( 媒体层) 和p h y ( 物理层) ，符合i e e e s 0 2 3 的规范。该以太网控制器的主