工控机箱激发智慧凌华科技与System Generator合力打造GPS快速捕获算法精确锁定信号

• 作者：刘恩晓，男，1983年8月生人，现为哈尔滨工业大学通信技术研究所博士生在读，其主要研究方向为卫星导航接收机及其抗干扰技术研究。

• 应用领域：导航接收机关键算法的硬件实现

• 挑战：GPS信号捕获过程中，对码的捕获通常有两种方法：串行搜索和并行搜索。串行搜索虽然简单，但其捕获时间较长，每更改一次本地码相位，就需要花费1ms，完成一个搜索约2分钟左右时间。由于导航接收机在很多应用领域要求高的数据更新率，这就要求捕获时间变得更短才行。

目前GPS信号捕获电路的主要实现手段是通过使用DSP芯片，但此种实现方法不利于知识产权保护，也不利于生产专门的芯片。因此，本文采用FPGA来实现，而FPGA资源有限，如何通过复用来满足资源占用是一个关键问题。此外，由于导航信号强度远远低于噪声，接收SNR仅有-20dB，准确采集中频数据对算法的验证至关重要。

• 解决方案：

重点研究了在SDR(Software Defined Radio)平台上实现频域捕获算法，并基于SDR平台和FFT来实现并行快速捕获算法。本文使用Xilinx公司提供系统级建模工具System Generator完成了对XCVFX60FF1152这款V4系列FPGA芯片编程，并且完成了频域捕获算法的硬件实现。在设计中，我们采用时分复用技术，使整个设计方案只采用一个FFT核，并且使用了一种新的复数乘法方案，以节约硬件资源。

为了避免系统热噪声影响而准确采集导航数据，本系统设计时使用ADLINK公司生产数字化仪PCI-9846H进行卫星信号采集，然后利用Xilinx公司提供编程软件——System Generator，将采集到的数据读取到Matlab下的Simulink环境中进行系统设计调试，最终直接生成硬件描述语言下载到FPGA中。

引言：

GPS接收机必须复现待捕捉的卫星所发射PN码，然后移动这个复现码相位直至与卫星PN码发生相关。当接收机所复现代码与输入Satellite Code相匹配时，有最大的相关值。当两个代码之间存在任何一边偏移超过1个Code Slice时，有最小相关。这就是GPS接收机跟踪或锁定卫星信号过程中的二维C/A Code Search Pattern，如图1所示，其中横坐标表示Code Phase，而纵坐标代表多普勒 Frequency Slot。

图1 二维C/A Code Search Pattern

典型情况下，在Code Phase以每半个Code Slice（即0.5T）增加进行搜索，每个Phase Slice代表一个Search Increment。一旦找到希望卫星位于特定Phase Position后，即可开始调整Local Oscillator Carrier Offset，以补偿由于视距动态变化引起PRN Code Phase Delay，从而达到跟踪目标衛星状态。该过程称为自相关处理，用被移位Local Oscillator Carrier Wave与输入Satellite PRN Signal实时相乘后积分累加从而计算出最大相关值。这是GPS Receiver追求的是使其Local Oscillator Carrier Wave Instantaneous Phase Position处于希望衛星PRN Code State位置以获得最佳相關值。

此外，对载波多普勒频率进行初步估计也是必要任务，因为如果无法精确同步载波多普勒状态，则在距离域内会因为受器响应滚降特性导致严重衰减失去任何机会锁定无线电波。如果成功锁定但失去了对载波多普勒状态追踪，那么也将继续丢失针对碼阶段跟踪能力，因此首先要寻找目标卫星之载波多普勒频率然后追随其加载变换进程。

频域快速检测算法

2.1 频道检测原理

随着现代电子设备性能提升以及微电子技术不断进步，更快、更高效的心脏控制单元（如Field Programmable Gate Array, FPGA）成为可能执行高速离散傅里叶变换（FFT）的基础。在这些现代通信、无线电导航、精密测量等众多行业，它们都需要对于传输或者广播过来的信息做实时处理分析。而为了能够有效地缩短这种类型项目上次到达几十年前难以想象的地带速度和范围宽度范围，我们提出一种新的“Frequency Domain Detection”策略，该策略结合了软件定义无线电（Software Defined Radio, SDR）框架和快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)概念，该策略可以极大地提高我们能够获取到所有信息是否正确性的速度同时保持我们的成本低廉，同时能保证我们拥有不同用户选择他们想要访问的一些不同的服务选项，无论是在同一天还是同一小时内都能让他们感受到不同体验。但是当面临困难的时候，比如说，当你只是想了解一些基本的事物，你发现自己陷入了一场关于错误解释事物的手术室，这时候你就需要考虑你的整体成本结构包括您的资金流动模式和您拥有的物理资产，以及您可以如何利用它们来解决当前的问题。你不能把一切看得太简单，你必须考虑所有可能出现的情况，而且你还必须准备好应付任何意料之外的事情，所以请记住，不管遇到了什么挑战，只要坚持下去总有一条通往成功之路！