高輸出頻率GPS接收機(jī)FPGA優(yōu)化設(shè)計

李英飛，丁繼成，趙 琳

(哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

當(dāng)前，以FPGA+DSP為硬件平臺實(shí)現(xiàn)的軟件接收機(jī)，由于參數(shù)設(shè)置靈活、可驗證新的導(dǎo)航算法而備受重視。伴隨著新算法的日益復(fù)雜和對接收機(jī)要求的不斷提高，對系統(tǒng)的速度提出了更高的要求[1-2]。比較GNSS接收機(jī)不同解決方案的處理能力與靈活性[3]，將更多的任務(wù)交給FPGA處理以減少DSP的負(fù)擔(dān)、提高系統(tǒng)速度。本文采用FPGA完成GPS的基帶處理，保留了軟件接收機(jī)參數(shù)的靈活性；節(jié)省了DSP資源，增加了定位結(jié)果的輸出率；在FPGA硬件資源允許下，通道個數(shù)可以任意擴(kuò)展。

1 基帶處理FPGA實(shí)現(xiàn)方案

如圖1所示，GPS信號經(jīng)天線、射頻下變頻至中頻，進(jìn)入FPGA。載波環(huán)路和碼環(huán)路對中頻信號進(jìn)行解擴(kuò)，得到數(shù)據(jù)比特流。同步電路對數(shù)據(jù)流進(jìn)行同步，輸出偽距等相關(guān)信息。系統(tǒng)啟動時，衛(wèi)星號分配模塊和多普勒限定模塊接收DSP發(fā)送的配置方案。時鐘發(fā)生器模塊用于產(chǎn)生時鐘脈沖。

1.1 數(shù)控振蕩器設(shè)計

圖1 FPGA基帶處理模塊總方框圖

載波發(fā)生器按照輸入值產(chǎn)生不同頻率的同相I、正交Q兩路正弦信號。碼發(fā)生器除了產(chǎn)生不同頻率的C/A碼外，還具有對碼相位進(jìn)行移位的操作。為減少資源使用，只采用每次延遲一個碼片的操作。延遲移位可減少捕獲到多徑信號的危險。

1.2 環(huán)路濾波器參數(shù)調(diào)整

考慮到FPGA除法運(yùn)算的舍入誤差和射頻芯片帶寬的影響，環(huán)路參數(shù)的調(diào)整工作按以下步驟進(jìn)行。

(1)按濾波器典型值計算公式，計算環(huán)路的增益、載波環(huán)帶寬100 Hz和碼環(huán)的10 Hz的參數(shù)值。此外，為了FPGA能夠利用移位進(jìn)行運(yùn)算，應(yīng)化簡計算結(jié)果。

(2)修改載波環(huán)環(huán)路增益，使環(huán)路穩(wěn)定。

(3)修改載波環(huán)和碼環(huán)增益，使環(huán)路波動最小。

系統(tǒng)使用一階鎖頻環(huán)輔助二階鎖相環(huán)濾波器。當(dāng)濾波器使用表1的參數(shù)時，得到圖2所示的系統(tǒng)時域性能。從圖2可以看出，第一組鎖相環(huán)鑒相器的輸出抖動大，系統(tǒng)相位誤差大。同時I、Q相位圖中在正交支路Q上還有很大的能量，環(huán)路收斂性差。逐步調(diào)整參數(shù)比例后，在第二組中相位誤差減小到20°以內(nèi)。

表1 環(huán)路參數(shù)對比

圖2 不同參數(shù)的環(huán)路狀態(tài)

1.3 偽距信息輸出

在位同步和幀同步完成后，F(xiàn)PGA能夠檢測到子幀頭位置并通過數(shù)據(jù)流得到子幀頭部的發(fā)送時刻(周內(nèi)時)。為得到子幀頭后任意一點(diǎn)的發(fā)送時刻，F(xiàn)PGA在檢測到子幀頭部時對各計時寄存器清零，然后按照各自的頻率累加計時。當(dāng)DSP請求提取偽距信息時，F(xiàn)PGA將該時刻的各計時寄存器值同時轉(zhuǎn)移鎖存，并傳送給DSP處理。DSP計算出計時寄存器值對應(yīng)的時間，再加上子幀頭對應(yīng)的周內(nèi)時即可得到信號的發(fā)送時刻。

2 基帶處理輔助模塊優(yōu)化設(shè)計

接收機(jī)的正常工作需要一些輔助模塊，以協(xié)助接收機(jī)在信號遮擋、消失等條件下正常運(yùn)行。

2.1 衛(wèi)星號自動分配方法

在系統(tǒng)冷啟動時，F(xiàn)PGA自動搜星。為避免自由通道同時搜索同一顆星，需要設(shè)計衛(wèi)星號分配方法。自動分配方法采用申請交換方式。如果自由通道沒有捕獲到當(dāng)前衛(wèi)星，則向衛(wèi)星號分配庫申請新的衛(wèi)星，同時將正在使用的衛(wèi)星號上交。為適應(yīng)熱啟動，DSP需要將優(yōu)先搜索的衛(wèi)星排在分配器前端以獲得高的優(yōu)先級。PRN碼庫可將剛剛處理過的衛(wèi)星號自動變?yōu)榈蛢?yōu)先級，以保證系統(tǒng)及時處理新出現(xiàn)的衛(wèi)星。

2.2 熱啟動載波多普勒限制

多普勒限制模塊與衛(wèi)星號分配庫結(jié)構(gòu)相同。DSP系統(tǒng)根據(jù)歷書、時間和預(yù)存儲的位置計算出可視衛(wèi)星號、概略多普勒頻移信息，把結(jié)果傳送至FPGA，并通知FPGA使用何種搜索模式進(jìn)行搜星捕獲等。此處理方式可大大減少首次定位時間。

2.3 秒時鐘脈沖輸出

為輸出與UTC同步的精準(zhǔn)秒脈沖，在FPGA內(nèi)部設(shè)計了時鐘發(fā)生器。時鐘發(fā)生器以系統(tǒng)時鐘為基準(zhǔn)，并輸出時鐘秒內(nèi)計時累加器值tc，為DSP系統(tǒng)校正使用。當(dāng)DSP請求偽距信息時，F(xiàn)PGA同時將tc鎖定送出。DSP定時計算后，可得到秒內(nèi)時誤差為系統(tǒng)當(dāng)前時間中不到1 s的部分），濾波后把校正值反饋給FPGA進(jìn)行校正。

3 系統(tǒng)驗證

系統(tǒng)使用表1中第二組參數(shù)時，環(huán)路的牽引過程如圖3所示。從即時碼支路輸出可以看出，開始階段環(huán)路積分值不斷增大，最后正交支路積分值變小，同相支路解調(diào)出數(shù)據(jù)流。載波多普勒頻移顯示環(huán)路承受了250 Hz左右的偏差，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

圖3 環(huán)路牽引過程

圖4(a)所示的位同步是圖4(b)幀同步的局部放大，Data_in為解調(diào)出的數(shù)據(jù)流輸入?？梢钥闯觯珻ount_bit將一個數(shù)據(jù)位分成了20份，Head_bit指示出數(shù)據(jù)位的頭部且第0位置處在數(shù)據(jù)位的開頭。由于環(huán)路積分，Data_in晚于真實(shí)數(shù)據(jù)位一個積分周期，真正的子幀頭在Count_bit為18時的末端，即圖4(a)中TOW_short值發(fā)生改變的時刻。從圖4(b)可以看出，在Head_subframe指示子幀頭部后，Data_in的后續(xù)輸入即為子幀頭的標(biāo)識“10001011”。當(dāng)遙測字和交接字均通過校驗后，幀同步成功。Head_subframe的觸發(fā)由前一子幀數(shù)據(jù)計算得到。

圖4 同步及偽距相關(guān)信息生成

圖4(c)中，在子幀頭部TOW_short發(fā)生改變的時刻，計時寄存器中過子幀頭的完整C/A碼碼片個數(shù)Num_CA、過碼片周期的完整系統(tǒng)周期個數(shù)Num_81 MHz重新計數(shù)。由于Num_81 MHz晚于真實(shí)子幀頭CA_reset的上升沿一個系統(tǒng)時鐘周期，即從2開始計數(shù)，這樣，就能夠統(tǒng)一時間計算方法。

綜上所述，基于FPGA的基帶處理，向DSP系統(tǒng)提供偽距相關(guān)信息的最大頻率和FPGA的系統(tǒng)時鐘有關(guān)。本系統(tǒng)理論最大提供頻率為81.84 MHz，但受DSP處理速度和數(shù)據(jù)傳輸速度影響，在DSP滿負(fù)荷運(yùn)行下，系統(tǒng)最快輸出定位頻率為100 Hz。

本文將基帶處理功能全部轉(zhuǎn)移至FPGA，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了GPS信號捕獲、跟蹤、同步、偽距相關(guān)信息整理等模塊。將DSP從繁重的基帶處理部分脫離后，可專注于復(fù)雜的導(dǎo)航解算，大大提高了導(dǎo)航解算的速度，為復(fù)雜導(dǎo)航算法的實(shí)現(xiàn)和導(dǎo)航結(jié)果的高頻率輸出提供了寬裕的硬件資源。

本系統(tǒng)采用Altera公司Cyclone II系列的EP2C70-F672C6芯片，實(shí)現(xiàn)了12通道GPS模塊和EMIF接口電路。邏輯單元共占用60%，因此本款芯片支持更多的GPS通道模塊設(shè)計。

[1]胡銳，薛曉中，孫瑞勝，等.基于 FPGA+DSP的嵌入式GPS數(shù)字接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，2009，17(2)：188.

[2]ABOELMAGD N，KARAMAT B T，Mark D E，et al.Performance enhancement of MEMS-based INS/GPS integration for low-cost navigation applications[J].IEEE Transactions.on Vehicular Technology，2009，58(3)：1077-1096.

[3]DOVIS F，SPELAT M，LEONE C，et al.On the tracking performance of a galileo/GPS receiver based on hybrid FPGA/DSP board[C].Proceeding.ION GNSS，2005：1611-1620.