基于FPGA的GPS信号捕获与跟踪系统设计研究

摘要

互联网、移动通信、星基导航是21世纪信息社会的三大支柱产业，而GPS系统的技术水平和发展历程代表着全世界卫星导航系统的发展状况。目前，我国已经成为GPS的使用大国，卫星导航产业链也已基本形成。然而，我们对GPS核心技术的研究还不够深入，我国GPS产品的核心部分多数还是靠进口。 GPS接收机工作时，为了将本地信号和接收到的信号同步，要完成复杂的信号处理过程。其中，如何捕获卫星信号并保持对信号的跟踪是最重要的核心技术。很多研究者提出了多种解决方法，但这些方法多数都只停留在理论阶段，无法应用于GPS接收机系统进行实时处理。 本课题在分析了多种现有算法的基础上，研究设计了基于FPGA的GPS信号捕获与跟踪系统。在研究过程中，首先利用Nemerix公司的GPS芯片组设计制作了GPS接收机模块，它能正常稳定地工作，并可用作GPS基带信号处理的研究平台；该平台可实时地输出GPS数字中频信号；本课题在中频信号的基础上深入研究了GPS信号的捕获与跟踪技术。先详细分析比较了几种GPS信号捕获方法，给出了步进相关的捕获方案；接着分析了跟踪环路的特点，给出了锁频环和锁相环交替工作跟踪载波以及载波辅助伪码的跟踪方案，并最终实现了这些方案。 本课题设计的GPS信号捕获与跟踪处理系统是通过硬件和软件协同工作的方式实现的。硬件电路主要实现数据速率高、逻辑简单的相关器功能；而基于MicroBlaze软处理器的软件主要实现数据速率低、逻辑复杂的功能。本文给出了硬件电路的详细设计、仿真结果以及软件设计的详细流程。 本课题最终在FPGA上实现了GPS信号的捕获与跟踪功能，而且系统的性能良好。由此可以得出结论：本设计能够满足系统功能和性能的要求，可以直接用于实时GPS接收机系统的设计中，为自主设计GPS接收机奠定了基础。 本课题的研究得到了大连市信息产业局集成电路设计专项的资助，项目名称是“定位与通信集成功能的SOC设计”，研究成果将在2008年上半年投入试用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1GPS系统概述

1.2课题的产生背景与意义

1.3论文主要研究内容

第2章 GPS基带信号处理技术

2.1GPS卫星信号特性

2.1.1GPS信号的构成

2.1.2导航电文

2.1.3C/A码信号

2.1.4载波信号

2.2GPS接收机技术

2.2.1GPS接收机结构

2.2.2GPS信号捕获技术

2.2.3GPS信号跟踪技术

第3章 FPGA开发板及MicroBlaze软处理器简介

3.1SpartanTM-3E系列FPGA芯片介绍

3.2SoartanTM-3E Starter开发板介绍

3.3MicroBlaze软处理器简介

第4章 GPS信号捕获与跟踪处理系统的总体设计

4.1GPS基带信号处理研究平台的设计

4.1.1系统的总体结构

4.1.2射频电路的设计

4.1.3基带部分电路的设计

4.2GPS信号捕获与跟踪电路的设计方案

4.2.1捕获方案的确定

4.2.2捕获电路的总体设计

4.2.3跟踪方案的确定

4.2.4跟踪电路的总体设计

4.2.5系统的总体设计

第5章 GPS信号捕获与跟踪电路的具体设计与实现

5.1GPS基带信号处理研究平台的实现

5.2相关器硬件电路的设计与实现

5.2.1本地载波NCO

5.2.2码NCO模块

5.2.3本地C/A码发生器

5.2.4码滑动计数器

5.2.5运算单元

5.2.6载波周期、码相位和历元计数器

5.3基于MicroBlaze软处理器的软件设计

5.3.1信号搜索状态

5.3.2信号判定状态

5.3.3信号微调状态

5.3.4信号跟踪状态

第6章 结论

6.1论文总结

6.2未来研究展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

研究生履历