高动态GPS接收机射频研究及信号捕获的FPGA实现

摘要

GPS(全球定位导航系统)作为美国新一代的卫星定位导航系统，已经应用于军事、航空和高精度测量领域。特别是随着GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，在国民经济建设、国防军事建设和社会科技发展的各个应用领域中，GPS接收机的身影无处不在。目前，高动态GPS接收机快速捕获和跟踪技术是GPS研究的新领域。
　　 本文以高动态GPS接收机硬件实现为背景，介绍了GPS信号结构、系统组成、定位原理，并以此为基础从GPS接收机射频前端设计和快速捕获算法实现的角度研究接收机提高动态性能的方案。
　　 射频方面主要研究了GPS射频信号的处理及下变频的工作过程。射频前端采用一次下变频混频技术实现射频信号的模拟下变频转换。利用ADS射频电路仿真软件搭建射频前端拓扑模型，并仿真验证其可行性。
　　 针对高动态GPS接收机的特点，在分析了常用的滑动相关串行捕获算法基础上，采用基于FFT的快速捕获算法。应用平均采样法将中频信号39000点的数据在不影响捕获精度的前提下采样成4096点。利用MATLAB软件仿真，结果表明FFT快速捕获算法较传统捕获方法能大幅度提高快速捕获性能。
　　 最后利用Xilinx的Virtex-5系列的XC5VSX50T型FPGA芯片实现了FFT快速捕获算法并且对FPGA设计环节进行了验证，凭借ModelSim软件对程序模块进行仿真。结果表明该捕获算法正确可靠、能够应用于高动态GPS接收机。