基于fpga的gps信号快速捕获方法实现

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1、基于FPGA的GPS信号快速捕获方法实现基于FPGA的GPS信号快速捕获方法实现刘亿民，宋学瑞(中南大学信息科学与工程学院•湖南长沙410083)摘要:介绍了一种基于平均相关器的GPS信号快速捕获算法，通过VHDL语言描述在FPGA上实现了该算法•平均相关器是一种将输入的5000点GPS样本信号平均化为1024点样本，然后通过FFT方法实现GPS信号快速捕获的基带相关器•这种相关器可以一步搜索到所有可能的码相位偏移,大大提高了捕获速度，比较好地满足了实时处理的要求.关键字:GPS,FPGA;捕获;采样平均中图分类号:P228文献

2、标识码:A文献标识码:1008〜9268(2006)06—0042—051引言捕获卫星信号的时间是评价GPS接收机的主要性能指标，一种实现快速捕获的方法是使用基于快速傅立叶变换的相关器，这种方法可以一步搜索到所有可能的码移，从而加快捕获速度III.C/A码周期为1ms,如果中频采样频率为5MHz,即每1ms有5000个样本，进行5000点的FFT相关函数计算将导致计算量巨大，设计复杂,接收机成本增高等问题[2]•如果能在不降低信号信噪比的情况下，将每毫秒5000点的中频采样数据下采样到每毫秒1024点，就可解决上述问题•通过10

3、24点的FFT模块进行频域软件信号处理是硬件实现C/A码捕获的主要思想L3].2GPS信号捕获GPS接收机在接收GPS卫星信号时，先将L波段的载频下变频至中频信号，再进行解扩，解调等处理•在解扩解调之前,GPS接收机必须搜索载波频率偏移和C/A码码移，叩进行c/A码捕获，然后进行卫星信号的跟踪和锁定].当在GPS接收机中采用基于FFT的快速码并行相关检测技术时，相应的自相关函数可以用下式来表示：LR〜m-]=:xEn]?CAE(n+)]]oCA卜]一厂(扛[])?式中,R[]表示得到的自相关序列,xEn〜1表示输入的采样数据；C

4、AEn-I表示本地C/A码;L为C/A码的长度为本地码的码移数,⑧表示卷积;，表示傅立叶变换;f*(CAEn・])表示本地c/A码序列傅立叶变换的共辘;厂表示反傅立叶变换5000点FFT对于硬件实现来说是非常昂贵的，这可能是频域处理接收机目前并不是很流行的原因之一Xilinx公司已经开发出处理1024点的H模块•该模块可以进行复数FFT变换,XN—RE,XNIM分别表示输入数据的实部和虚部,XKRE,XK_IM分别表示输出数据的实部和虚部,FWDINV引脚的配置决定FFT或IFI变换模式,ART为启动信号，其他引脚都可以根据用户

5、的需要来配置和使用•该模块的详细操作时序如图1所示•按照时序图规定的吋序关系将相应的信号分别送入FFT模块，就可以方便的实现信号的处理.原始C/A码的码率为每毫秒1023点,如果接收到的信号可以被恢复到与C/A码同样的速率，那么就可以使用1024点的FFT模块来计算.一种使用1024点FFT模块计算平均相关的方法是通过改良C/A码，重新调节接收序列和本地C/A码序列至1024个样本每毫秒以适应FFT模块的大小•将来自接收机前端的以5000Msps的采样速率采样并收稿日期:2oo6—o8~15基金项目：国家863项目(2001AA

6、613050),国家自然科学基金(40204001)地理空间信息工程国家测绘局重点实验室项目(B2531,200604)42GNSSWorldofChina/2006.6量化后的信号下采样至1024点每毫秒，同时将本地C/A码也做同样的处理，就可将改进的两路码序列进行相关处理•两个改进的码序列代替了原始C/A)口1一rexn一枷jndaridbl■斜〜lv珂Lxn.-n姗Jnd码序列，直接送入1024点的FFT模块，从而高效率地完成相关处理.幽IFFr模块的操作时序GPS信号C/A码的周期是1ms,中频采样信号频率是5MHz,5

7、000个采样数据点覆盖了1ms的时域，也就是说5000个采样数据点代表一个完整的C/A码序列，每个码元由4个或5个采样数据点代表•其中,5个采样数据对应一个c/A码码元的情况占绝大多数•可以通过一定数量的5个采样数据的集合和一定数量的4个釆样数据的集合来将5000点的采样数据平均化成1024点，但是这时所得到的码序列不一定能很好地近似表达一个C/A码，除非原先的5000个采样数据中的第一个采样数据正好对应于C/A码第一个码片的第一个采样值,但这种概率非常小,尤其是在冷启动的情况下因为没有足够的信息来决定哪4个或6个点组成一组并被

8、平均（除非有一种方法可以知道样本和码元的相对位置）,所以只能对多个不同的相对位置进行计算•通过比较来得到一个相对正确的值•因为C/A码是个循环序列，所以5个连续采样点中必定有一个是正确的平均起始点，这样将得到5个包含1024个平均样本的序列,其中必定有一个序列能