0 引言

    隨著GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)在提供定位信息和高精度時間信息上的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外越來越多的企業(yè)和研究機構(gòu)深入研究導(dǎo)航、授時芯片，而要實現(xiàn)這些功能，都離不開對GPS衛(wèi)星信號的分析。因此，自主研發(fā)小型化、便攜式GPS中頻信號數(shù)據(jù)采集設(shè)備對導(dǎo)航算法研究及芯片設(shè)計非常重要^[1]。

    USB接口數(shù)據(jù)傳輸速率高、傳輸模式靈活，支持低速（1.5 Mb/s）、全速（12 Mb/s）和高速（480 Mb/s）3種傳輸速度以及中斷傳輸、控制傳輸、同步傳輸和塊傳輸4種傳輸模式，目前在PC領(lǐng)域中USB接口已廣泛應(yīng)用^[2]。高集成度的GPS接收機射頻前端芯片NJ1006可采集2 bit格式的GPS衛(wèi)星信號，通過位拼接可將實時采樣率下降至4 MHz左右。USB2.0的傳輸速度完全可以滿足，而從成本和普及率方面綜合考慮，使用USB2.0是一個較好的選擇。

    基于上述分析，本論文設(shè)計了一種GPS中頻信號采集及分析系統(tǒng)。系統(tǒng)使用FPGA對NJ1006的數(shù)字中頻信號進行字節(jié)拼接及緩存，通過USB接口芯片(FX2 68013)上傳到PC。在PC端設(shè)計了專用的VC++程序，用于PC端的數(shù)據(jù)接收、格式轉(zhuǎn)換及分析。

1 系統(tǒng)軟硬件總體架構(gòu)

    本論文的GPS中頻信號采集及分析系統(tǒng)的軟硬件總體架構(gòu)如圖1所示，由硬件和軟件兩部分組成。其中硬件部分包括GPS射頻接收芯片NJ1006、FPGA（cyclone EP1C12Q240C8N，具有20 060個邏輯單元和52個M4K存儲器）和 USB2.0接口芯片（FX2-68013）；軟件部分包括數(shù)據(jù)接收程序、格式轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)分析程序和主控程序組成。

    NJ1006是一個高集成度的GPS接收機射頻前端IC，其集成了LNA和本機振蕩器的諧振回路，減少了外部元器件數(shù)量和PCB的面積。NJ1006下變頻1 575.42 MHz GPS L1信號，通過2 bit A/D轉(zhuǎn)換器采樣后，輸出采樣率為16.368 MHz，中頻頻率為4.092 MHz的2 bits數(shù)字信號（符號位SGN和大小位MAG）到FPGA。

    FX2-68013是由Cypress半導(dǎo)體公司所推出的USB2.0芯片，芯片將USB外圍接口所需要的各種功能包裝成一精簡的集成電路，其內(nèi)部的8051微處理器方便對芯片的控制與配置^[3]。通過對芯片內(nèi)部8051編程，使USB2.0芯片配置在Slave FIFO模式下工作，異步方式傳輸數(shù)據(jù)，以支持圖1中的高速數(shù)據(jù)通道；由于該USB2.0芯片具有I²C接口，支持對外部I²C存儲器的讀寫，為了不影響高速數(shù)據(jù)傳輸，本論文用FPGA模擬了一個I²C存儲器，上位機通過對I²C存儲器的讀寫實現(xiàn)了對FPGA工作狀態(tài)的控制^[4]。

    FPGA接收NJ1006的數(shù)字中頻信號，進行位拼接和緩存，向USB2.0芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過USB2.0接口將采集的數(shù)據(jù)上傳到PC。在PC端接收數(shù)據(jù)，并進行格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)分析。分析的主要任務(wù)是對GPS中頻信號進行C/A碼相位和多普勒頻率的二維相關(guān)值計算，并由Matlab進行三維立體顯示。

2 FPGA邏輯設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)拼接

    GPS衛(wèi)星信號是在16.368 MHz時鐘下利用射頻前端NJ1006接收得到的，由于該信號的位寬為2 bits，而FPGA與USB之間的數(shù)據(jù)總線位寬為8 bits，因此需通過“串并轉(zhuǎn)換”，將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。此時，寫入數(shù)據(jù)速度降低到原來的四分之一（4.092 MHz），將大大降低數(shù)據(jù)上傳所需的時序要求。

2.2 數(shù)據(jù)緩存

    USB2.0協(xié)議擁有較快的數(shù)據(jù)傳輸速率，但本設(shè)計使用Windows系統(tǒng)PC作為上位機，屬于多任務(wù)系統(tǒng)，運行時會分出多個時間片給各應(yīng)用程序，即使只運行本設(shè)計中的軟件程序，也無法保證穩(wěn)定的傳輸速度，將影響數(shù)據(jù)的實時傳輸性。為解決該問題，可通過增加存儲器以緩存數(shù)據(jù)。但由于外部增加RAM的成本較大，且前文中提到的數(shù)據(jù)流采集速率約為穩(wěn)定不變的4 MHz，而Windows平均的傳輸數(shù)據(jù)速率高于此采集速率，為了保證數(shù)據(jù)流的連續(xù)性，可利用FPGA 內(nèi)部52個M4K存儲器資源生成26 KB RAM作為緩沖器，把從位拼接得到的數(shù)據(jù)暫存在此RAM中，再通過USB2.0傳輸?shù)缴衔粰CPC中進行存儲和分析。

    本系統(tǒng)中把這26 KB緩存空間分成13個2 KB RAM，將從位拼接得到的數(shù)據(jù)依次寫進RAM中，同時將寫滿2 KB RAM的緩存數(shù)據(jù)依次讀出傳送至FX2，之后FX2一次性將2 KB數(shù)據(jù)通過USB2.0傳輸至上位機，由此對RAM0至RAM12這13個存儲器進行循環(huán)操作，完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。該方法能夠最大限度地利用資源，保證了數(shù)據(jù)流的實時不間斷。

    緩存數(shù)據(jù)寫入RAM的過程如圖2(a)所示。系統(tǒng)在接收到RAM的寫指令后，首先向RAM0寫入采集到的數(shù)據(jù)。當(dāng)RAM0寫滿后，若RAM1處于忙狀態(tài)（即Rd_en[1]=1，系統(tǒng)從RAM1中讀出數(shù)據(jù)），則終止寫入，系統(tǒng)回歸初始狀態(tài)，等待寫指令，否則無間斷地向RAM1中寫入數(shù)據(jù)。由此依次對RAM0至RAM12這13個存儲器進行循環(huán)操作，完成數(shù)據(jù)的寫入。該RAM寫操作機制能夠保證數(shù)據(jù)流的實時、不間斷，符合數(shù)據(jù)采集要求。而緩存數(shù)據(jù)的讀出過程如圖2(b)所示。系統(tǒng)在接收到RAM的讀指令后，首先從RAM0中讀出數(shù)據(jù)，將其傳送至FX2的Slave FIFO。完成RAM0的讀操作后，若RAM1處于空閑狀態(tài)（即Wr_en [1]=0，系統(tǒng)未向RAM1寫入數(shù)據(jù)），則無間斷地讀取RAM1中的緩存數(shù)據(jù)，否則等待RAM1完成寫操作之后再繼續(xù)進行讀操作。對RAM0至RAM12這13個存儲器進行循環(huán)讀操作，直到采集結(jié)束。

2.3 數(shù)據(jù)傳送

    數(shù)據(jù)傳送即通過FX2 的Slave FIFO模式，將從RAM中讀出的數(shù)據(jù)上傳至上位機PC并保存，其高速數(shù)據(jù)傳送通道接口圖如圖3所示^[5]。在開始傳送數(shù)據(jù)前，需通過Slave FIFO的切換地址fifoaddr配置Slave FIFO為2′b10，使其能夠向FX2的Slave FIFO寫入數(shù)據(jù)。接收到數(shù)據(jù)傳送指令后，主程序?qū)崟r監(jiān)控Slave FIFO的空滿標(biāo)志empty、full。當(dāng)發(fā)現(xiàn)Slave FIFO未滿時，通過控制Slave FIFO的寫時鐘slwr，將從RAM讀出的數(shù)據(jù)傳送至Slave FIFO的雙向數(shù)據(jù)端口fd，構(gòu)成了高速數(shù)據(jù)通道，完成數(shù)據(jù)上傳。

2.4 FPGA狀態(tài)轉(zhuǎn)換

    FPGA主狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示，整個狀態(tài)機工作在72 MHz時鐘下，INIT狀態(tài)對FX2各接口數(shù)據(jù)進行初始化，之后進入WAIT_CMD狀態(tài)，等待上位機發(fā)指令。當(dāng)上位機發(fā)出采集指令后，由USB向FX2內(nèi)部8051芯片下傳48 B數(shù)據(jù)發(fā)送指令，再由8051將此48 B數(shù)據(jù)寫入I2C的存儲器，并分析第一字節(jié)數(shù)據(jù)^[6]。當(dāng)?shù)谝蛔止?jié)為8′h0a時，狀態(tài)機進入CMD_PRO狀態(tài)，進行指令處理，向RAM發(fā)出寫指令開始數(shù)據(jù)緩存，然后進入READ_RAM狀態(tài)，在識別FX2中Slave FIFO的空滿標(biāo)志等信號后，讀出RAM緩存數(shù)據(jù)。關(guān)于RAM讀寫調(diào)用在上文中有詳細(xì)介紹，這里不再贅述。當(dāng)采集結(jié)束后，狀態(tài)機重新回到WAIT_CMD狀態(tài)，等待下一次采集。

    本設(shè)計中的采集結(jié)束機制分為兩種情況，一種是當(dāng)要向單個RAM寫入數(shù)據(jù)時系統(tǒng)正在讀出該RAM中的數(shù)據(jù)，無法繼續(xù)進行寫操作，導(dǎo)致實時傳輸數(shù)據(jù)中斷。此時上位機長時間接收不到數(shù)據(jù)，將自動終止接收數(shù)據(jù)，這是由數(shù)據(jù)實時傳輸數(shù)據(jù)速率大于上位機接收數(shù)據(jù)速率導(dǎo)致的，此時軟件將通知用戶此次數(shù)據(jù)不可靠；另一種是上位機接收到的數(shù)據(jù)已經(jīng)滿足采集數(shù)據(jù)的大小要求，此時上位機主動停止接收數(shù)據(jù)，F(xiàn)X2 slave FIFO一直處于滿狀態(tài)，F(xiàn)PGA超過規(guī)定時間的等待還不能繼續(xù)上傳數(shù)據(jù)，狀態(tài)機回到WAIT_CMD狀態(tài)，此次采集結(jié)束，等待下一次采集。

3 軟件操作

    上位機程序使用C語言的MFC編寫，操作界面如圖5所示。USB Connection鍵可對FX2中的8051芯片進行配置，實現(xiàn)USB和FPGA數(shù)據(jù)通道連接。點擊圖中的Sample鍵，發(fā)出采集指令后，上位機開始調(diào)用FX2專用的批量端點上傳函數(shù)，反復(fù)循環(huán)128次來接收256 KB數(shù)據(jù)，等待接收數(shù)據(jù)，再通過USB傳輸指令，使FPGA與上位機協(xié)同工作，采集數(shù)據(jù)^[7]。

    數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，可通過軟件操作界面的TXT Conversion窗口將數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為ASCII碼或?qū)?yīng)的0-1二進制序列，方便用戶使用。

    通過圖5中的SV-Searching Paramenters窗口可設(shè)置參數(shù)，進行數(shù)據(jù)分析。源文件為當(dāng)前數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換后的0-1二進制序列文件，通過設(shè)置衛(wèi)星號SV num(1至32號衛(wèi)星)、毫秒積分ms num(1 ms至10 ms)、量化位LO bits(1 bits至10 bits)和多普勒頻率范圍LO Frequency、CA碼相位C/A Phase以及相對應(yīng)的頻率步長LO Step、C/A步長C/A Step等參數(shù)，點擊Analysis鍵，對其進行CA碼和多普勒頻率的二維搜索。通過時域串行捕獲算法計算得到三維數(shù)據(jù)，并利用Matlab的surf函數(shù)仿真出三維立體圖，從而分析信號的可靠性^[8]。

　　時域串行捕獲算法如圖6所示，即本地載波生成器在預(yù)先設(shè)定的多普勒頻率范圍內(nèi)選擇一個載波頻率，產(chǎn)生兩路相位差 90°的本地載波cos和sin。將輸入信號與這兩路本地載波混頻，得到同相分量I和正交分量Q。然后將I和Q兩路分量分別與本地產(chǎn)生的C/A碼序列進行相關(guān)運算，并通過絕對值求和Absolute或平方求和square運算得到相關(guān)值^[9-10]。

4 GPS中頻信號采集及分析結(jié)果

    本文通過圖形操作界面對衛(wèi)星信號進行采集、轉(zhuǎn)換和分析，實現(xiàn)了自主研發(fā)小型化、便攜式GPS中頻信號數(shù)據(jù)采集設(shè)備。GPS衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)于2017年1月13日下午1點20分在北京交通大學(xué)第九教學(xué)樓采集，此時的18號星1 ms平方和運算對應(yīng)相關(guān)值如圖7所示。從圖中可明顯觀察到，該衛(wèi)星的頻率在4.094 5 MHz附近，碼相位在16 000點附近出現(xiàn)明顯的相關(guān)峰。圖8則是18號星進行絕對值求和對應(yīng)的相關(guān)圖，對比圖7和圖8可以看出，在信號明顯的情況下兩種運算都能找到相關(guān)峰，但絕對值求和得到的相關(guān)值基數(shù)更小，所需的硬件資源更少，相比之下，平方求和其相關(guān)峰則更加明顯。

    在全搜索的基礎(chǔ)上，找到相關(guān)峰后還可對其進行更精確的搜索。在圖7 18號星全搜索的基礎(chǔ)上，將頻率搜索范圍縮小到4.092～4.097 MHz，并縮小頻率步長為250、CA碼步長為2，對其相關(guān)峰進行放大分析，其結(jié)果如圖9所示，該方法便于分析算法的可靠性以及信號正確性。

    軟件還支持多毫秒疊加，設(shè)置多普勒搜索步長、頻率和CA碼采樣點數(shù)等。由于當(dāng)前某顆衛(wèi)星的信號比較弱，1 ms相關(guān)值累加有可能不能準(zhǔn)確地找出相關(guān)峰，此時可通過多毫秒累積的方法得到相關(guān)峰。圖10為27號星1 ms的相關(guān)值，從圖中不能明顯地觀察到相關(guān)峰，但通過圖11中的2 ms運算可以看到，在頻率為4.092 MHz、碼相位為8 000處有明顯的相關(guān)峰。

5 結(jié)論

    本文針對GPS中頻信號的采樣、轉(zhuǎn)換、分析提出了相應(yīng)的解決方案。實驗證明，基于USB2.0的數(shù)據(jù)傳輸方案達(dá)到了對GPS中頻信號高速準(zhǔn)確的采集目標(biāo)。基于GPS的捕獲算法，通過C語言實現(xiàn)時域串行捕獲算法檢測，驗證了數(shù)據(jù)的可靠性，為之后的GPS算法研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。

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作者信息：

陶  夢，李金城

（北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京100044）