FFT与串行相关相结合的GPS捕获方法及FPGA实现

摘要

GPS(Global Positioning System)具有授时、定位和导航等重要功能，因此在各个领域都有广泛的应用。GPS的用户主要指GPS接收机，其中信号的捕获是GPS接收机中的一个重点，也是难点。捕获的意义在于快速有效地发现可视卫星，并为接下来的信号处理工作提供必要参数。
　　目前两种典型的捕获方法是串行相关捕获法和基于FFT的并行码相位捕获法。其中，串行相关捕获法易于实现，性能可靠，资源占用少，但捕获速度较慢;基于FFT的并行码相位捕获法捕获速度快，但性能相对不稳定，占用资源较大。这些捕获方法的不足限制了GPS接收机的性能。因此，有效结合两种方法，使其取长补短，是实现高性能捕获进而提高GPS接收机性能的关键。
　　为了改进捕获方法，本文主要做了如下研究与探索:(1)研究了串行相关捕获法和基于FFT的并行码相位捕获法的原理，详细比较了两种方法的性能。(2)提出了FFT并行码相位捕获法与串行相关捕获法相结合的多通道捕获方法，既保证了快速捕获，又兼顾了节约资源。(3)选择了FPGA（Field Programmable Gate Array）和Verilog硬件描述语言在QuartusⅡ开发环境下设计实现了本文捕获方法，集成度高，也便于移植和升级。(4)采用GPS仿真数据对FPGA设计进行了功能仿真和时序仿真，验证了本文设计的可行性与逻辑的正确性。(5)以购买的硬件GPS接收机为参照，对FPGA设计进行了板上测试与实际捕获实验。Signal TapⅡ显示的实际捕获结果表明，整个系统能成功捕获到卫星，并且兼顾了捕获时间短和资源占用少的要求，可以有效改善GPS接收机性能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 主要内容及结构安排

2 GPS信号结构及接收机原理

2．1 GPS信号结构

2．2 GPS接收机原理

2．3 GPS信号捕获与多普勒效应

3 两种典型的GPS捕获方法及其性能分析

3．1 串行相关捕获方法

3．2 基于FFT的并行码相位捕获法

3．3 两种捕获方法的对比研究

3．3．1 整体捕获结果比较

3．3．2 弱信号的捕获结果比较

3．3．3 资源占用情况比较

3．3．4 搜索时间比较

3．3．5 精确度比较

4 FFT与串行相关相结合的多通道快速捕获方法

4．1 设计思路

4．2 前端FFT捕获引导模块

4．2．1 载波NCO

4．2．2 平均下采样

4．2．3 门限判决

4．2．4 FFT与IFFT

4．3 后端各通道串行捕获模块

4．3．1 C／A码发生器

4．3．2 门限判决

4．3．3 多通道的实现

4．4 优势分析

5 多通道快速捕获方法的仿真与板上实现

5．1 系统仿真

5．1．1 载波NCO

5．1．2 C／A码发生器

5．1．3 平均下采样

5．1．4 频率控制字发生器

5．1．5 门限判决

5．1．6 FFT与IFFT模块

5．1．7 整体捕获模块

5．2 板上实现

5．2．1 硬件开发板平台

5．2．2 板上测试结果

结论

参考文献

致谢