《電子技術應用》
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基于FPGA的GPS基帶產生與控制模塊設計
2017年電子技術應用第6期
左小普1,楊祖芳2,潘 偉3,鄭建生1,3
1.武漢大學 電子信息學院,湖北 武漢430072;2.武漢工商學院 信息工程學院,湖北 武漢430065; 3.武漢大學衛星導航定位技術研究中心,湖北 武漢430079
摘要: 全球定位系統(GPS)基帶信號可以用于導航定位設備的研發、性能測試以及生成式欺騙干擾信號的產生。針對一種基于現場可編程門陣列(FPGA)的GPS基帶信號產生與控制模塊進行研究,主要通過硬件電路設計和軟件代碼編寫,利用FPGA生成C/A碼、P碼,利用直接數字式頻率合成器(DDS)產生L1、L2載波等功能,實現了多路可控增益GPS信號同時輸出。測試結果表明,本設計輸出增益可調、輸出頻點可控,可以為射頻模塊提供多路基帶信號及控制信號。
關鍵詞: FPGA GPS 基帶信號 DDS
中圖分類號: TN409
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.06.016
中文引用格式: 左小普,楊祖芳,潘偉,等. 基于FPGA的GPS基帶產生與控制模塊設計[J].電子技術應用,2017,43(6):64-67.
英文引用格式: Zuo Xiaopu,Yang Zufang,Pan Wei,et al. The design and realization of GPS baseband generation and control module based on FPGA[J].Application of Electronic Technique,2017,43(6):64-67.
The design and realization of GPS baseband generation and control module based on FPGA
Zuo Xiaopu1,Yang Zufang2,Pan Wei3,Zheng Jiansheng1,3
1.School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430072,China; 2.Information Engineering College,Wuhan Technology and Business University,Wuhan 430065,China; 3.School of Satellite Navigation and Positioning Technology Research Center,Wuhan University,Wuhan 430079,China
Abstract: Global Positioning System(GPS) baseband can be used to test the performance of navigation and positioning equipment research and generate deception jamming signal.The design and realization of GPS baseband generation and control module based on field programmable gate array(FPGA) are presented, which includes hardware circuit design and code writing. It realizes multi-channel controllable gain GPS signal output at the same time, generates C/A code and P code by using FPGA, and generates carriers L1,L2 by using direct digital frequency synthesizer(DDS). It shows that the design has the adjustable output gain and the controllable output frequency, and can provide multi-channel the baseband signals and control signals for RF module.
Key words : FPGA;GPS;baseband;DDS

0 引言

    隨著GPS使用范圍日趨廣泛,其安全問題也備受關注。信息化作戰情況下,對敵對目標衛星導航定位系統進行干擾,阻止其有效定位,成為了重要的作戰手段。隨著干擾與抗干擾領域的研究,GPS定位系統對抗干擾的要求越來越高,如何對抗種種人為的和非人為的干擾成為研究熱點。目前研究產生的基帶碼多為C/A碼,且多為單路輸出,產生多種偽碼并輸出多路GPS信號是發展方向。因此,本文研究產生多路GPS信號同時輸出和利用FPGA生成C/A碼、P碼。FPGA在硬件系統設計中具有很高的靈活性和可靠性。基帶碼的結構是可以預測的,方便利用FPGA重復產生并處理。利用FPGA產生基帶碼,可以研究基帶碼又可以探究新碼型,降低了系統的復雜度,提高了系統的集成度。

1 系統總體方案

    本文主要包括硬件和軟件兩部分,軟件部分指用Verilog產生基帶碼和控制信號及C程序控制DDS產生載波。硬件電路由FPGA、C8051控制電路和輔助電路組成。由外部向FPGA提供時鐘信號和復位信號,FPGA用于產生基帶碼、增益控制信號及可控放大信號,其他預留的輸入輸出口留作其他用途。C8051用于向DDS提供控制信號,DDS參考時鐘由外部晶振提供。系統總體設計如圖1所示。

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    系統分為基帶模塊與射頻調制模塊兩部分。基帶模塊生成基帶信號,經調制模塊調制得到L1和L2,其中載波L1的頻率f1為1 575.42 MHz,載波L2的頻率f2為1 227.60 MHz。每顆GPS衛星用兩個L波段頻率L1和L2發射載波無線電信號。

    本文主要介紹基帶模塊。外部提供215 MHz的時鐘信號供給基帶碼發生器,同時外部復位信號控制基帶碼發生器,用于向L1和L2頻點的射頻調制部分提供C/A碼和P碼以及增益控制信號。圖1中,1-2表示可以提供一路用于二進制相移鍵控調制(Binary Phase Shift Keying,BPSK),也可提供串并轉換之后的兩路用于正交相移鍵控調制(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)。C8051提供控制DDS生成正弦波信號,經倍頻得到L1和L2頻點的載波用于載波調制。FPGA還提供可控放大信號。

2 基帶模塊的實現

2.1 基帶產生模塊的總體設計

    基帶產生模塊的原理圖如圖2所示。由外部時鐘提供的時鐘信號經整數分頻,得到的1.023 MHz時鐘給C/A碼發生器,再經L1串并轉換得到L1路C/A碼及其IQ兩路輸出;得到的10.23 MHz時鐘送到P碼發生器,一路P碼經L1串并轉換得到L1路P碼的IQ兩路輸出;另一路P碼經L2串并轉換得到L2路P碼的IQ兩路輸出,C/A碼和P碼也可直接輸出。

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2.2 分頻模塊

    分頻模塊有兩個:用于提供C/A碼時鐘的210分頻和P碼時鐘的21分頻,分別得到約1.023 MHz和10.23 MHz的時鐘信號。

2.3 C/A碼產生模塊

    C/A碼由一個10級最長線性反饋移位寄存器(maximum,m)序列對產生,即一個C/A碼的長度是210-1=1 023碼片。C/A碼的時鐘為1.023 MHz,周期為1 ms[1]。在一個C/A碼碼片時間內,載波L1重復1 540周。如圖3所示,C/A碼發生器由G1和G2兩個移位寄存器構成,兩個移位寄存器的輸出相異或得到C/A碼輸出。X1歷元到來時兩個寄存器全部置1。

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    本設計中使用組合邏輯電路,輸入信號有C/A碼時鐘clk、偽碼sat_PRN_ID、復位信號reset、C/A碼輸出out。偽碼號取21,用Modelsim仿真的結果如圖4、圖5所示。

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    如圖4所示,C/A碼輸出1,1,1,1,1,0,0,1,1,0,0,0,0,0,1,1,0,1,1…,偽碼為21的C/A碼前十位的8進制,表示為1 746,即二進制的1111100110,C/A碼輸出正確。如圖5所示,在第1 023個時鐘周期之后, C/A碼輸出恢復到開始的1111100110,符合C/A碼長度為1 023這個特征。因此,C/A碼發生器設計正確。

2.4 P碼產生模塊

    除C/A碼之外,P碼是GPS信號中的另一種偽碼,它同時調制在L1和L2載波信號上。P碼的周期為7天,碼率為10.23 MS/s,碼寬Tp約等于0.1 μs。加密后的P碼成為Y碼,它只有特定的用戶才可破譯。

    如圖6所示,偽隨機噪聲碼(Pseudo Random Noise,PRN)為i的衛星上產生的P碼Pi是序列X1與序列X2i的模2和。序列X1的生成電路是由2個十二級反饋移位寄存器構成的,每個十二級反饋移位寄存器各能產生一個周期為4 095碼片的最長線性反饋移位寄存器(maximum,m)序列,而這兩個m序列通過截短,各自形成周期為4 092碼片的序列X1A和周期長為4 093碼片的序列X1B。截短碼X1A和X1B異或相加,生成周期為4 092×4 093的長碼。長碼再經過截短,變成周期為1.5 s、長為15 345 000碼片的序列X1。

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    與產生X1序列的過程相類似,另外2個十二級反饋移位寄存器最后產生長為15 345 037碼片的序列X1,而序列X2i是X2的平移等價碼。對于PRN i,平移等價序列X2i是由X2即延時i個碼片后得到的,其中i是1~37的整數。

    序列X1與X2i異或相加后所得序列的周期長約為38星期的P碼,經過截短,得到周期為一星期長的P碼Pi。GPS采用了37種不同的平移等價碼X2i,進而獲得37種結構不同、周期均為一星期的P碼Pi。GPS星座中的各顆衛星產生一個互不相同的P碼,從而實現碼分多址[2]

    P碼發生模塊包含4個十二級反饋移位寄存器X1A、X1B、X2A、X2B,計數器暫停恢復信號resume1a、resume1b、resume2a、resume2b,計數器count1a、count1b、count2a、count2b決定其值。flag1a、flag1b、flag2a、flag2b計數分別決定4個寄存器是否復位。svndaysrst為一周復位信號,當zcount計數達到403 200時,svndaysrst置1,所有計數器復位,svndaysrst復位與rst復位的初值一樣。P碼輸出由X1輸出與X2移位輸出異或得到,add為延時使能信號,由flag2a和count2a決定。

    P碼的仿真主要用于驗證P碼的初始狀態以及寄存器復位、計數復位、相移等功能是否實現,偽碼號取5,用Modelsim仿真P碼發生器的結果如圖7所示。

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    根據仿真圖7,在復位信號rst為1時載入初值,復位信號變為0后第一個時鐘上升沿到來,X1A輸出0,0,1,0,0,1,0,0,1,0,0,0,X1B輸出0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,0,X2A輸出1,0,0,1,0,0,1,0,0,1,0,1,X2B輸出0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,0;P碼輸出1,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1……,前12位轉換為8進制是4 377,因此P碼的初始輸出正確。

    圖8是P碼的計數復位仿真,寄存器X1A和X2A在4 092個基碼之后復位,寄存器X1B和X2B在4 093個基碼后復位,復位后X1A、X1B、X2A、X2B輸出初始值,與此同時代表其循環次數的計數器加1。仿真圖完全符合這一特征,因此P碼的計數復位正確。

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    X1B寄存器在循環了4 093個X1B后暫停,直到X1A循環了3 750個X1A后才恢復移位。X2B寄存器與之類似,但是在X1A寄存器完成3 750個循環之后,仍維持37個基碼時間不動,X2A寄存器在3 750個循環之后也保持37個基碼時間不動,之后由一周復位信號使其恢復,如圖9所示。

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    由圖9可以看出,在X1B暫停時,其輸出保持不變,暫停時刻flag1aout為3 749,恢復時flag1aout為4 092,相隔343個基碼時間。X2B暫停時,其輸出亦保持不變,flag1bout恢復計數后,從1計數到37,X2A和X2B正好開始移位輸出,符合P碼的原理。當X1A循環3 750個循環后zcountout加1,當zcountout為403 200后復位。綜上所述,P碼發生器的設計正確。

    對于上述P碼產生程序,PRN號確定時,輸出的P碼由4個寄存器的值以及計數器決定,如果知道這些值并作為初值輸入到程序中,就可以輸出任意時刻的P碼。

3 控制模塊的實現

3.1 載波發生模塊

    載波發生器采用ADI公司的集成DDS芯片AD9956,通過對頻率控制字(Frequency Tuning Word,FTW)和分頻字R的控制,能夠輸出特定的頻率值[3]

    輸出信號頻率與頻率控制字關系如下:

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式中,fo表示輸出信號的頻率;FTW表示48位的控制字,取值范圍是0~247,R表示分頻系數,可取1、2、4、8;fREFCLK表示輸入時鐘390 MHz。

3.2 載波發生控制模塊

    載波發生控制模塊采用C8051F,向DDS提供14個控制接口,用于對DDS提供控制信號的調諧數據。根據后續調制電路的要求,需要獲得70 MHz的信號用于得到L1頻段的載波,60 MHz的信號用于得到L2頻段的載波,因此需分別對產生L1頻段和L2頻段的DDS進行控制。

3.3 增益控制模塊

    對載波及已調信號增益的控制,主要由FPGA提供增益控制信號實現,用芯片HMC468LP3和HMC273MS10G配合實現。只需對電平控制就可實現增益的改變。

4 系統測試與分析

4.1 測試儀器與設備

    信號源采用Rohde & Schware SMB100A Signal Generator,頻率范圍為9 kHz~6 GHz。頻譜儀采用Rohde & Schware FSC6.Spectrum,頻率范圍為9 kHz~6 GHz。

4.2 C/A碼頻譜分析

    在頻域,一個碼速率為1.023 MHz的隨機序列的功率譜函數在1.023 MHz的整數倍處為0。C/A碼雖然不是完全隨機的,但是其功率譜與隨機序列相似[4]

    圖10為調制之后的頻譜,載波頻段L1為1 575.42 MHz,第一個零點M2的頻率為1 576.43 MHz,與中心頻率L2相差約1.023 MHz。可以看出,第一副瓣相對于主瓣輸出功率衰減約15 dBm,與實際的GPS信號基本符合。

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4.3 P碼頻譜分析

    如圖11所示,調制之后的頻譜中心頻率為1 575.42 MHz(M2點處),之后的第一個零點M1為1 585.65 MHz,相隔10.23 MHz。如圖12所示,調制之后的頻譜中心頻率為1 227.6 MHz,之后的第一個零點M1為1 237.83 MHz,相隔10.23 MHz,達到要求。

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5 結論

    GPS基帶信號可以通過調制而依附在正弦形式的載波上,然后衛星將調制后的載波信號播發出去。因此,GPS基帶信號的研究對于導航定位設備的研發、檢測及生成式干擾信號的研究具有重要的應用價值。本文提出的基于FPGA產生的GPS基帶信號具有輸出增益可調、輸出頻點可控,可以為射頻模塊提供多路基帶信號及控制信號等特點。

參考文獻

[1] 王偉權,劉昌孝.用FPGA實現GPS的C/A碼發生器[J].桂林電子科技大學學報,2006,26(5):347-350.

[2] 謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京:電子工業出版社,2009.

[3] Rochester Electronics.AD9956 data sheet[Z].2013.

[4] 瞿鐵錨.基于FPGA的GPS星座模擬器的研究與開發[D].南京:南京航空航天大學,2007.

[5] 王立賓,賀宏.GPS M碼、C/A碼和P碼性能比較研究[J].測控遙感與導航定位,2008,38(4):34-36.



作者信息:

左小普1,楊祖芳2,潘  偉3,鄭建生1,3

(1.武漢大學 電子信息學院,湖北 武漢430072;2.武漢工商學院 信息工程學院,湖北 武漢430065;

3.武漢大學衛星導航定位技術研究中心,湖北 武漢430079)

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