基于GPS L1信号中频数据采集系统的研究与设计

摘要

软件无线电接收机(Software-Defined Radio receiver)在导航领域的研究已成为当今GNSS(Global Navigation Satellite System)接收机研究的主流方向之一。无论是软件接收机还是已有的硬件接收机,射频前端都是其中不可或缺的基础部分,因此有必要设计具有功耗低、体积小、具有良好噪声性能的射频前端。在软件接收机的实际研究过程中,需要将射频前端采集的数据传输到PC(Personal Computer)中,利用PC强大的运算处理能力来实现GNSS软件接收机的各种算法研究(如微弱信号的捕获跟踪、组合导航等)。
　　 本文以GPS(Global Positioning System)为研究对象,分析了GPS信号的结构及接收机前端的噪声性能,阐述了射频前端对信号的处理,主要包括信号调整、混频下变频和ADC(Analog-to—Digital Converter)量化输出。本文所作的主要工作内容如下:
　　 首先,以SiGe公司生产的GPS芯片SE4150L为平台,进行了GPS射频前端电路设计,并对设计出的电路板进行调试和分析,结果表明所设计的射频前端能够实现预期的功能——将GPS信号下变频到中频数字信号。
　　 其次,设计了GPS中频数据采集系统后级控制电路。从成本、控制能力以及数据传输方面讨论了各种控制方案,并作出了合理选择。GPS中频数据采集系统后级电路的设计主要包含三大模块:FPGA(Field—Programmable Gate Array)控制模块、SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)缓存模块以及USB(Universal SerialBUS)控制模块。FPGA控制模块作为整个控制部分的核心,主要功能在于协调数据传输,在其内部实例化SDRAM的控制器,能够将射频前端采集数据接收并储存在SDRAM中,并根据需要从SDRAM中读出数据,并编程实现与USB模块之间的通信。SDRAM缓存模块用于缓存射频前端电路采集的中频数据,为实现数据高速传输提供基础。USB控制模块以CY7C68013A为核心,主要目的在于实现FPGA与PC之间的通信接口,完成数据传输及通信控制。
　　 此外,在完成各个模块设计的基础上,结合GPS射频前端电路,完成了基于GPS Ll信号中频数据采集系统的硬件设计工作。
　　 最后,编写FPGA控制程序以及USB固件程序、驱动程序和上位机通信程序,完成了GPS中频数据采集系统软件部分的程序设计;从C／A码捕获的角度分析了系统所采集到的数据。结果表明:GPS中频数据采集系统能够实现预期的将GPS射频信号下变频到中频数字信号并通过LJSB传输到PC中的功能。