1. 引言

在GPS接收機的設(shè)計中，為了檢驗和完善信號處理算法，需要在本地獲得GPS數(shù)字中頻信號數(shù)據(jù)。采用真實的數(shù)據(jù)并不是最佳選擇，主要是因為其中的許多信號屬性無法控制，也無法模擬不同的接收環(huán)境和干擾情況，這給算法的驗證測試帶來麻煩；而且存儲GPS真實數(shù)據(jù)需要消耗大量的硬件資源。解決這一問題的有效方法是設(shè)計一個能夠產(chǎn)生GPS數(shù)字中頻信號并且參數(shù)可控的仿真信號源。

通常的仿真信號源設(shè)計方式被割裂為兩種——純硬件方式和純軟件方式。純硬件方式是利用硬件器件和硬件表述直接進行設(shè)計，其設(shè)計難度大、周期長，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的改變會帶來巨大的硬件設(shè)計工作量。純軟件設(shè)計的仿真信號源，是利用軟件語言在PC機上搭建整個系統(tǒng)，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要被緩存起來以供硬件測試。這樣做不僅浪費存儲資源，而且難以滿足實時性要求。本文介紹了一種新的GPS中頻信號源的FPGA設(shè)計方案，它是利用Xilinx System Generator for DSP工具可以自動由系統(tǒng)級表述轉(zhuǎn)換成FPGA硬件表述的特點，完成從軟件圖形化設(shè)計到FPGA硬件實現(xiàn)的一體化流程。其優(yōu)點在于，功能設(shè)計部分在MATLAB/SIMULINK下完成，信號源產(chǎn)生結(jié)構(gòu)清晰，進行信號驗證檢測和參數(shù)更改；硬件實現(xiàn)時，通過Xilinx System Generator 工具，自動生成優(yōu)化的硬件描述語言文件和硬件測試文件，輔以Xilinx 硬件開發(fā)平臺，大大減少了直接的硬件設(shè)計工作量，縮短了從設(shè)計到實現(xiàn)的過程，也方便了對系統(tǒng)設(shè)計的修改和升級。

2. Xilinx System Generator for DSP

Xilinx System Generator是Xilinx公司開發(fā)的FPGA輔助設(shè)計工具，包括嵌入Simulink的Xilinx 模塊集合（BlockSet）和模型到硬件的轉(zhuǎn)換軟件。它可自動生成FPGA綜合、仿真和實現(xiàn)工具所需的命令文件。用戶可以在圖形化環(huán)境中完成系統(tǒng)模型的硬件開發(fā)。在設(shè)計中，System Generator將Xilinx 模塊集合里的模塊映射為IP（Intellectual Property）庫中的模塊，接著從系統(tǒng)參數(shù)推斷出控制信號和電路，再將Simulink的分層設(shè)計轉(zhuǎn)換為VHDL的分層網(wǎng)表，之后調(diào)用Xilinx Core Generator 和VHDL模擬、綜合實現(xiàn)工具來完成硬件設(shè)計，最后通過FPGA平臺實現(xiàn)硬件系統(tǒng)。這樣，設(shè)計者就可以輕而易舉地從一個抽象的系統(tǒng)級表述轉(zhuǎn)換到單一來源的門級的FPGA硬件表述。這也解決了不熟悉硬件語言描述的設(shè)計者進行硬件設(shè)計實現(xiàn)的問題。

3. GPS 數(shù)字中頻信號源的FPGA設(shè)計

3.1 GPS數(shù)字中頻信號

3.2 設(shè)計方案

圖1 GPS數(shù)字中頻信號源設(shè)計方案

根據(jù)GPS數(shù)字中頻信號的產(chǎn)生公式，我們可以得到如圖1所示的設(shè)計方案。其中每一個通道負責產(chǎn)生一顆特定衛(wèi)星（對應(yīng)一個特定的衛(wèi)星PRN號）的擴頻碼、導(dǎo)航數(shù)據(jù)等信號。參數(shù)設(shè)定模塊負責計算和設(shè)定各個模塊的關(guān)鍵參數(shù)（如衛(wèi)星PRN號，載波頻率，碼發(fā)生器的寄存器狀態(tài)等），其中包括一個對應(yīng)GPS時間的Z計數(shù)器和X1計數(shù)器［3］。載波發(fā)生器是以Xilinx 模塊集合中的NCO（Numerically Controlled Oscillator）模塊［4］為核心搭建的，其頻率和相位可由參數(shù)設(shè)定模塊調(diào)控。多徑模塊可以模擬傳播過程中多徑效應(yīng)，方案中是通過將前端一顆或多顆衛(wèi)星產(chǎn)生的信號經(jīng)過不同的延遲加入到原信號中實現(xiàn)的。濾波/采樣部分可以根據(jù)后續(xù)模塊的不同（C/A碼捕獲或P碼捕獲），在軟件設(shè)計中采用不同的參數(shù)（濾波器帶寬、采樣率），或在硬件實現(xiàn)時采用不同的硬件濾波器和采樣器。下面介紹C/A碼、P碼發(fā)生器、設(shè)定器以及其他幾個關(guān)鍵模塊的設(shè)計方案。

3.2.1 C/A碼發(fā)生器及設(shè)定器設(shè)計

GPS 的C/A碼是序列長度為1023的GOLD碼，碼速率為1.023MHz，周期為1ms。由兩個10位移位寄存器G1和G2通過異或合并得到的，其移位多項式分別為 和 。

本方案中C/A碼設(shè)定器可以工作于兩種模式：

1）在碼循環(huán)周期的初始點或半中點設(shè)定。根據(jù)待設(shè)定的目標GPS時刻對應(yīng)的計數(shù)器值，換算出距離未來最近的C/A碼循環(huán)周期初始點或半中點的碼片數(shù)，并用此數(shù)值設(shè)置倒計數(shù)器初值，待其計數(shù)為零時C/A碼設(shè)定器將G1和G2寄存器復(fù)位到它們的初始狀態(tài)或半中點狀態(tài)。自此以后C/A碼發(fā)生器與目標GPS時間實現(xiàn)同步。該設(shè)定過程的最大延遲為511ms.

2）即時設(shè)定。本方案中對每一個寄存器位單獨設(shè)計了設(shè)定單元，可以在下一個時鐘周期到來時，將該位設(shè)定成0或1。在本工作模式中，模塊需要首先換算出目標GPS時刻對應(yīng)的C/A碼狀態(tài)索引，之后結(jié)合預(yù)存的寄存器狀態(tài)表查找到G1和G2的寄存器狀態(tài)，通過設(shè)定單元在下一個時鐘周期將狀態(tài)進行修改。這種模式可以實現(xiàn)即時同步。

3.2.2 P碼發(fā)生器及設(shè)定器設(shè)計

GPS的P碼是由4個具有不同特征多項式的12位移位寄存器X1A，X1B，X2A，X2B的結(jié)果合并得到。通過譯碼截斷、延遲、時鐘控制等模塊實現(xiàn)X1B相對于X1A，X2B相對于X2A，以及X2A/X2B相對于X1A/X1B的相位進動，從而產(chǎn)生周期為1.5秒的X1歷元以及周期為38個星期的P碼序列。通過控制 相對于 結(jié)果的延遲，達到產(chǎn)生不同衛(wèi)星對應(yīng)P碼的目的。

圖2 X2B狀態(tài)設(shè)定器工作流程圖

P碼設(shè)定器相對于C/A碼設(shè)定器要復(fù)雜的多，需要根據(jù)4個移位寄存器的不同情況進行不同的設(shè)計，且需要在不同的時間復(fù)位。圖2給出了我們提出的X2B寄存器設(shè)定器的設(shè)計算法，X1A，X1B和X2A的設(shè)定器的設(shè)計思路與之類似。X1計數(shù)值，Z計數(shù)值和衛(wèi)星PRN號作為輸入。首先根據(jù)X1，Z計數(shù)值，計算出X2歷元內(nèi)的計數(shù)值X2和在一個X2B循環(huán)內(nèi)的計數(shù)值X2B。如果此時間處于一星期的X1A的最后一個循環(huán)，需要在此循環(huán)結(jié)束時對X2B進行截斷。否則，根據(jù)設(shè)定時間對應(yīng)X2B寄存器的不同情況，推算出距離下一個寄存器初始狀態(tài)所需等待的P碼碼片數(shù)（N2B）。將此值作為計數(shù)器初值并開始倒計數(shù)，當計數(shù)為零時將X2B寄存器設(shè)置為初始狀態(tài)，從此時刻開始，該寄存器的狀態(tài)與目標GPS時間達到同步。在實現(xiàn)該算法時，利用Xilinx 模塊集合中的Mcode模塊編寫算法程序。此種算法完成對所有4個寄存器的同步最大延遲小于500 。同樣，P 碼設(shè)定器也可工作在即時設(shè)定模式下。

3.2.3導(dǎo)航數(shù)據(jù)模塊

導(dǎo)航數(shù)據(jù)為50Hz的二進制碼，由12.5分鐘長的超幀組成，每個超幀分為25幀，每幀5個子幀，每個子幀10個字長，每個字長30bit。每幀第1，2，3播放衛(wèi)星的星鐘修正參數(shù)和廣播星歷，第4，5個子幀為歷書數(shù)據(jù)、電離層修正參數(shù)及其它系統(tǒng)信息。方案中我們只設(shè)計第1，2個子幀，對于其它3個子幀，我們將NASA網(wǎng)站下載的24小時GPS歷書數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進制比特文件，導(dǎo)入導(dǎo)航數(shù)據(jù)模塊產(chǎn)生。第1個子幀為遙測字（TLW），其前8個比特為同步頭（10001011），第9~24比特為衛(wèi)星測控信息和保留位（這里我們都置為0），最后6比特為校驗位。第二個子幀為握手字（HOW），由Z計數(shù)（對P碼產(chǎn)生器中的X1歷元個數(shù)的計數(shù)），告警標志，反欺騙標志，子幀ID，保留位和校驗位組成。

在實現(xiàn)時，可以使用Xilinx Mcode模塊，結(jié)合星歷數(shù)據(jù)文件，產(chǎn)生仿真導(dǎo)航數(shù)據(jù)，也可設(shè)計成對外的輸入接口，接真實導(dǎo)航數(shù)據(jù)或其它導(dǎo)航數(shù)據(jù)仿真器的輸出。

3.2.4 高斯白噪聲產(chǎn)生模塊

這里我們需要產(chǎn)生限帶的高斯白噪聲，由于偽隨機噪聲具有類似于隨機噪聲的一些統(tǒng)計特性，具有隨機噪聲的特點，我們采用與碼發(fā)生器中類似的寄存器序列來產(chǎn)生偽隨機m序列。又因為m序列的噪聲特性與其周期長度有關(guān)，周期越長，越接近白噪聲譜，我們這里采用特征多項式為 的m序列發(fā)生器。若m序列的碼元周期為 ，則在0~0.45/ （Hz）的范圍內(nèi)可認為具有均勻的功率譜。因此通過控制 可以得到所需頻率范圍內(nèi)的模擬高斯白噪聲。

4．硬件實現(xiàn)及運行結(jié)果

此GPS數(shù)字中頻信號源的設(shè)計方案在Simulink環(huán)境中完成了圖形化設(shè)計和仿真驗證，并利用System Generator工具生成FPGA硬件表述文件和硬件測試文件，在Xilinx ISE環(huán)境下進行了編譯和綜合，同時利用ModelSim進行了硬件仿真驗證。最后將Xilinx ISE生成的位流文件下載到采用Xilinx XC2S200 芯片的FPGA硬件平臺進行了硬件系統(tǒng)實現(xiàn)和信號驗證。圖3給出了基于本方案設(shè)計的仿真信號源所產(chǎn)生的GPS數(shù)字中頻信號的時域波形和功率譜（衛(wèi)星PRN號為1，中頻頻率為15.42MHz，信噪比10dB）。經(jīng)過與實際GPS中頻信號及其功率譜的對比發(fā)現(xiàn)，二者特性是相一致的。

圖3 仿真信號源產(chǎn)生的 GPS數(shù)字中頻信號及功率譜

5．結(jié)論

文章從GPS數(shù)字中頻信號源的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，基于純硬件和純軟件信號源設(shè)計方式的缺點，提出了兼具軟件設(shè)計靈活性和硬件設(shè)計實時高效性的GPS數(shù)字中頻信號源的設(shè)計方案。方案通過多通道并行結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對多顆可見衛(wèi)星信號的模擬，通過碼發(fā)生器和設(shè)定器實現(xiàn)了對任意GPS時間對應(yīng)C/A碼、P碼的產(chǎn)生和同步，并通過多徑、高斯白噪聲模塊模擬了信號傳播過程中的多徑效應(yīng)和噪聲環(huán)境。對衛(wèi)星PRN的選擇及各個模塊的關(guān)鍵參數(shù)進行集中計算、設(shè)定和管理，方便了參數(shù)調(diào)節(jié)、對各種效應(yīng)影響的研究以及和其他信號處理模塊的協(xié)作［7］。本設(shè)計采用的基于System Generator的一體化流程，既降低了因系統(tǒng)修改和升級帶來的硬件設(shè)計工作量，又彌補了軟件方案實時性不足的缺點，這也為GPS接收機其他模塊及其他信號處理系統(tǒng)的設(shè)計提供了新思路。本信號源的設(shè)計和實現(xiàn)是GPS及其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機自主研制的重要組成部分，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的民用產(chǎn)業(yè)化過程中，能夠產(chǎn)生可觀的社會效益和經(jīng)濟效益。

本文作者的創(chuàng)新點：提出了兼具軟件設(shè)計靈活性和硬件設(shè)計實時高效性的GPS數(shù)字中頻信號源的高效一體化FPGA設(shè)計方案。

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