0 引言

    目前，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于雷達、導航、通信、圖像處理等領(lǐng)域，為各類系統(tǒng)提供了真實有效的實測數(shù)據(jù)，以便于精度和可靠性驗證。在衛(wèi)星導航中，利用陣列天線方法進行抗多徑、抗干擾的理論研究已比較深入，但利用硬件平臺采集實測數(shù)據(jù)并進行結(jié)果驗證的研究在國內(nèi)還較少。由于平臺需要將每個天線陣元接收到的信號進行同步采集存儲，并要保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，因此該平臺需具備多通道無失真高速數(shù)據(jù)采集和大容量數(shù)據(jù)存儲的能力。為了解決這一問題，本設(shè)計采用傳輸速率較高的PCIE串行總線，并以Xilinx公司Kintex7-325T系列FPGA芯片作為處理核心，設(shè)計并實現(xiàn)了多通道高速GNSS數(shù)據(jù)采集平臺，具備廣泛的應用價值。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

    本文所設(shè)計的多通道衛(wèi)星導航采集存儲系統(tǒng)由多陣元天線陣列、多通道下變頻模塊、高速A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA、SATA硬盤組成，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

    天線陣列由8個導航測量型天線組成，能夠接收來自不同方向的GPSL1及北斗B1、B3等多個頻點的信號。多路下變頻設(shè)備是將每個天線陣元接收到的射頻信號進行下變頻處理，再將其輸入至各個A/D采集通道中。數(shù)字中頻信號在FPGA內(nèi)部進行緩存打包，然后通過操控PCI Express硬核，將數(shù)據(jù)由PCIE總線寫至PC內(nèi)存，最后搬移至臺式電腦的固態(tài)硬盤中，完成整個采集存儲的過程。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 射頻前端的設(shè)計與實現(xiàn)

    本次設(shè)計使用的下變頻板卡為實驗室自主研發(fā)產(chǎn)品，以北斗二代RNSS區(qū)域信號接收機射頻芯片為核心，可以接收B1、B2、B3以及GPS L1、GLONASS L1、L2頻點的信號(芯片內(nèi)只有一個射頻通道，通過SPI接口和S0、S1撥碼開關(guān)選擇信號選擇其中一個頻點工作)，經(jīng)放大、變頻、濾波等處理后，輸出模擬或數(shù)字中頻信號供基帶芯片使用。通過設(shè)置SPI寄存器，片內(nèi)通道的幅頻特性可以設(shè)置為適合BPSK-2、BPSK-10以及MBOC(6，1，1/11)等不同的信號體制，下變頻頻率參數(shù)如表1所示。

    該芯片的射頻前端帶寬可以配置，能夠降低射頻前端濾波器對擴頻碼相關(guān)峰的影響，從而滿足抗多徑算法基帶處理的要求。芯片結(jié)構(gòu)及原理如圖2所示。

    由于天線陣列抗多徑算法需要同時處理多路中頻導航數(shù)據(jù)，為此，在本設(shè)計中將8塊下變頻板卡同時放入一個機箱中，并解決所有板卡的供電與外接時鐘的輸入問題。機箱布局如圖3所示。

2.2 AD采集平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

    本文設(shè)計的采集平臺是由基于PCIE總線的FPGA開發(fā)板和多路AD采集子板組成。AD采集板的主要功能是采集外部的模擬數(shù)據(jù)，配置每個AD采樣通道的采樣時鐘，并將數(shù)據(jù)通過FMC接口輸入FPGA中；而FPGA開發(fā)板主要功能是將AD輸入的數(shù)據(jù)進行處理，包括數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、緩存，以及向PCIE總線打包發(fā)送等，兩塊板卡通過FMC-HPC高速接口相連。FPGA開發(fā)板的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

    該板卡主芯片采用Xilinx Kintex-7 FPGA xc7k325t-ffg900-2，芯片具有PCI Express Endpoint模塊、高速串行通信接口、DDR3內(nèi)存接口和自定義I/O接口。支持PCI Express 1/2/4/8Lane，符合PCI Expressv1.1/2.0，每個lane的傳輸速率是2.5 Gb/s。整板DDR3內(nèi)存總?cè)萘窟_到1 GB(支持最大2 GB)。DDR3 SDRAM時鐘最高達303.03 MHz。DDR3 SDRAM顆粒采用128 M×16 bit。4個DDR3顆粒組成一個64 bit 1 GB緩存。

    本次設(shè)計采用的AD采集卡是具有8通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的FPGA夾層卡，采用ADS62P49芯片，具有14 bit分辨率，最大采樣速率達250 MS/s。ADC時鐘設(shè)計由AD9516芯片提供。AD9516參考時鐘為10 MHz，可選板上10 MHz的VCXO，也可選擇從板外提供時鐘。板卡采用高引腳數(shù)（HPC）連接器，輸入信號可以是單端信號，也可以是差分信號對。該板卡結(jié)構(gòu)框圖如圖5。

3 PCIE DMA通信鏈路的實現(xiàn)

    DMA控制器是利用PCIE總線進行高效率數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾侄巍１驹O(shè)計中的DMA控制器負責在驅(qū)動程序的控制下，將ADC FIFO中的數(shù)據(jù)搬移到PC內(nèi)存中。

    本文中的DMA控制器的代碼基于Xilinx公司提供的xapp1052 DMA demo進行了修改，主要由RX Engine、TX Engine和EP_MEM構(gòu)成，如圖6所示。由于本文只涉及數(shù)據(jù)采集接收，所以只針對TX Engine模塊與EP_MEM模塊加以說明。

3.1 TX_ENGINE的設(shè)計

    TX_ENGINE模塊負責按照PCIE協(xié)議緩存打包數(shù)據(jù)，并控制PCIE接口發(fā)送TLP給PC，從而實現(xiàn)對PC內(nèi)存的讀寫和對PC請求的回應。

3.2 EP_MEM的設(shè)計

    EP_MEM模塊是整個FPGA的控制中心，DMA的控制和數(shù)據(jù)采集以及回放的控制都在該模塊內(nèi)實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集時，將adc_run_en置位，ADC即開始工作，并將采集到的數(shù)據(jù)放入TX FIFO中。主控Process若檢測到驅(qū)動程序請求數(shù)據(jù)，并且TX FIFO中數(shù)據(jù)大于16 KB時，即啟動一次Mwr DMA操作，將16 KB搬移到驅(qū)動程序的緩沖區(qū)中。搬移完畢后，向驅(qū)動程序緩沖區(qū)的首地址寫入一個非零的數(shù)據(jù)，以通知驅(qū)動操作完成。數(shù)據(jù)由FIFO單次寫入內(nèi)存的流程如圖7所示。

4 連續(xù)存儲數(shù)據(jù)的實現(xiàn)

    當需要采集的數(shù)據(jù)量小于1 GB時，可以先將采集到的數(shù)據(jù)整體保存在內(nèi)存中，再一次性寫入文件。由于內(nèi)存大小的限制，不能一次性開辟足夠大的存儲空間，但可以采用多次開辟內(nèi)存的操作。即當一個空間存滿之后，隨即將所得到的數(shù)據(jù)寫到硬盤中的目標文件中；然后再次開辟一段空間，向新的內(nèi)存空間中繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到硬盤當中。這一方法將一次大規(guī)模存儲操作變成多次小規(guī)模寫入操作，實現(xiàn)了不限制容量的存儲過程。另一方面，為了減少每次數(shù)據(jù)由內(nèi)存寫入硬盤的時間，將每次開辟的內(nèi)存空間大小定位16 KB，即當內(nèi)存每次從FIFO中讀取16 KB數(shù)據(jù)時，就立刻將其轉(zhuǎn)送到硬盤中的目標文件，此時每個開辟內(nèi)存的間斷時間是可以忽略不計的。該方法實現(xiàn)的流程如圖8所示。

5 信號采集測試

5.1 單通道信號采集測試

    用正弦波信號源作為AD輸入，設(shè)置采樣率為62.5 MHz、量化位數(shù)為16 bit、使用單通道ADC采集頻率為1 MHz的正弦信號，再將數(shù)據(jù)經(jīng)PCIE總線存儲至硬盤中。使用MATLAB作出數(shù)據(jù)圖像，得到的結(jié)果如圖9所示。

    由圖中可以看出，信號在時域是連續(xù)不失真的，且沒有明顯的雜波干擾。

    再使用單通道衛(wèi)星導航信號作為數(shù)據(jù)源進行測試。信號源是由衛(wèi)星導航模擬器產(chǎn)生的GPSL1頻點的中頻信號，中頻為42.966 MHz，AD采樣率配置為62.5 MHz，存儲數(shù)據(jù)文件大小為20 GB，得到頻譜如圖10所示。從圖中看出，中頻頻點位置與預設(shè)值一致，并且頻譜圖像符合GPSL1信號BPSK調(diào)制規(guī)律。

5.2 系統(tǒng)整體測試結(jié)果

    將整套測試設(shè)備置于室外環(huán)境中進行實測信號驗證，測試位置為北京航空航天大學新主樓大平臺，測試頻點為GPSL1信號，得到8個通道的經(jīng)緯高均值和標準差統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。由表2看出，該采集平臺采集存儲的數(shù)據(jù)在經(jīng)度、緯度兩個維度解出的定位誤差均在10 m以內(nèi)，高度誤差在20 m范圍左右，滿足了GPS定位要求。

6 結(jié)論

    為滿足衛(wèi)星導航抗多徑算法中對于同一時刻多通道原始數(shù)據(jù)的需求，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種以FPGA為處理核心、PCIE串行總線為高速通信介質(zhì)、固態(tài)硬盤為存儲設(shè)備的高速多路數(shù)據(jù)采集與存儲平臺。經(jīng)過對該系統(tǒng)的全面測試，結(jié)果表明系統(tǒng)可以同時準確采集并存儲多通道衛(wèi)星導航實際數(shù)據(jù)。由于PCIE協(xié)議的通用性，該平臺可適用于任何帶有PCIEx8及以上接口的PC系統(tǒng)中。在未來的設(shè)計中也可以擴展為多塊板卡同時工作，使得該平臺可以適用于更多通道的數(shù)據(jù)采集與存儲中，具備廣闊的應用前景。

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作者信息：

趙玉東，秦紅磊，張潤萍

（北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京100191）