姚光焰

1.華東交通大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，江西南昌 330013

2.中鐵24局集團(tuán)上海電務(wù)電化有限公司福州分公司，福建福州 350000

相關(guān)器直接決定著GPS接收機(jī)的導(dǎo)航定位性能。目前，商用GPS接收機(jī)中的數(shù)字相關(guān)器一般采用專用集成電路(ASIC)實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定，但技術(shù)被國外壟斷，靈活性與可擴(kuò)展性也較差?，F(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)是一種高速、可反復(fù)編程的集成電路芯片，這給系統(tǒng)開發(fā)提供了很大的靈活性。與硬件描述語言設(shè)計(jì)方法不同， Simulink為FPGA設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的高層次建模環(huán)境，可大量應(yīng)用于算法開發(fā)和驗(yàn)證的IP核，并自動(dòng)將系統(tǒng)映射為一個(gè)基于FPGA的硬件方案，使開發(fā)人員在不需要熟悉硬件描述語言的情況下也能進(jìn)行FPGA開發(fā)。

1 相關(guān)器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GPS信號(hào)是BPSK調(diào)制的擴(kuò)頻信號(hào)，只有經(jīng)解擴(kuò)解調(diào)后，才能提取出導(dǎo)航電文，用于GPS定位導(dǎo)航。相關(guān)器的作用就是產(chǎn)生本地的載波和C/A碼與輸入的數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)載波剝離與C/A碼剝離，提取出導(dǎo)航電文，實(shí)現(xiàn)GPS定位與導(dǎo)航。

相關(guān)器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由載波NCO模塊、碼NCO模塊、C/A碼產(chǎn)生模塊、復(fù)相位旋轉(zhuǎn)下變頻模塊和碼相關(guān)模塊組成。

圖1 GPS相關(guān)器結(jié)構(gòu)

從圖1可知，A/D采樣得到I和Q兩路正交信號(hào)，與載波NCO產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的同相分量（cos）和正交分量（sin）通過復(fù)相位旋轉(zhuǎn)下變頻模塊相乘得到剝離載波后的I和Q兩路信號(hào)。這兩支路輸出值與C/A碼產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到積分累加數(shù)據(jù)輸出值，送給處理器進(jìn)行計(jì)算，完成對(duì)載波和碼的捕獲及跟蹤。

2 各功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 載波NCO模塊

載波NCO模塊產(chǎn)生頻率輸出可調(diào)的單頻復(fù)正弦信號(hào)，供復(fù)相位數(shù)字旋轉(zhuǎn)下變頻用于載波剝離。載波NCO模塊Simulink建模如圖2所示。

圖2 載波NCO模塊Simulink建模

圖2中，頻率控制字M位數(shù)為32位，累加器位數(shù)為33位，累加器在主時(shí)鐘（fi）的控制下，以步長M作為累加，輸出的33位的數(shù)據(jù)做為正/余弦查找表的地址得到所需頻率的正（余）弦載波。圖2中，主時(shí)鐘fi為39MHz，相應(yīng)的頻率分辨率為39MHz/232=9MHz，可以很精確的跟蹤載波頻率的變化。

2.2 復(fù)相位旋轉(zhuǎn)下變頻模塊

復(fù)相位旋轉(zhuǎn)下變頻模塊由4個(gè)乘法器，一個(gè)加法器和減法器組成。其Simulink建模如圖3所示。

圖3中，射頻前端下變頻I支路和Q支路上的混頻輸出分別視為實(shí)數(shù)和虛數(shù) ， I/Q輸出的中頻信號(hào)I + j? Q ，本地載波為cos(ω ?n ) +j? si n(ω ?n) ，做復(fù)相乘可得 ：

實(shí)部為新的I支路，虛部為新的Q支路，用于后續(xù)相關(guān)累積處理。

圖3 復(fù)相位旋轉(zhuǎn)下變頻模塊的Simulink建模

2.3 碼NCO模塊

碼NCO模塊由累加器和寄存器組成，其Simulink建模如圖4所示。

圖4 碼NCO模塊的Simulink建模

碼NCO原理和載波NCO原理類似。頻率控制字在主時(shí)鐘的控制下進(jìn)行累加，它與輸出的頻率()成正比，產(chǎn)生32倍碼片速率的時(shí)鐘頻率驅(qū)動(dòng)C/A碼產(chǎn)生模塊。

2.4 C/A碼產(chǎn)生模塊

C/A碼產(chǎn)生模塊的Simulink建模如圖5所示。

C/A碼發(fā)生器在碼時(shí)鐘()的控制下運(yùn)行，C/A碼類型用于控制不同的C/A碼，碼相位延時(shí)控制碼相位，碼相位延遲可以精確到1/32碼片。

2.5 碼相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)

碼相關(guān)模塊的的Simulink建模如圖6所示。

碼相關(guān)模塊完成復(fù)數(shù)下變頻輸出的I、Q值與碼產(chǎn)生模塊輸出的C/A碼的相關(guān)運(yùn)算和累加，輸出的累加值用于后端的捕獲、跟蹤等處理。

圖5 C/A碼產(chǎn)生模塊的Simulink建模

圖6 碼相關(guān)模塊的Simulink建模

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在Simulink/DSP Builder環(huán)境下，對(duì)設(shè)計(jì)的相關(guān)器進(jìn)行仿真，系統(tǒng)時(shí)鐘為39MHz，載波NCO模塊中頻率控制字M設(shè)置為33554432，C/A設(shè)置為24號(hào)衛(wèi)星的初始相位。載波NCO模塊、C/A碼產(chǎn)生模塊仿真結(jié)果和相關(guān)器輸出的相關(guān)值如圖7、圖8和圖9所示。

圖7 載波NCO模塊仿真結(jié)果

圖8 C/A碼產(chǎn)生模塊仿真結(jié)果

圖9 相關(guān)器輸出的相關(guān)值

由以上結(jié)果可知：載波NCO模塊和C/A碼產(chǎn)生模塊的輸出結(jié)果和設(shè)計(jì)想吻合，當(dāng)相關(guān)器本地復(fù)現(xiàn)的載波頻率，C/A碼和接收到信號(hào)的載波頻率，衛(wèi)星的C/A碼一致時(shí)，相關(guān)器輸出一個(gè)最大的相關(guān)值，根據(jù)設(shè)置的判決門限，處理讀取相關(guān)值進(jìn)行判決該衛(wèi)星是否被捕獲。仿真結(jié)果證明相關(guān)器設(shè)計(jì)正確。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了GPS相關(guān)器的設(shè)計(jì)，并在Simulink/DSP Builder開發(fā)環(huán)境下對(duì)相關(guān)器各個(gè)功能模塊進(jìn)行建模和仿真。仿真結(jié)果表明：相關(guān)器設(shè)計(jì)正確。將設(shè)計(jì)好的模塊轉(zhuǎn)換得到Verilog代碼，利用Alteral公司提供的開發(fā)工具Quartus對(duì)Verilog代碼進(jìn)行綜合，可以直接下載到FPGA里運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)的單通道相關(guān)器可以直接運(yùn)用于GPS接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。該設(shè)計(jì)避開了傳統(tǒng)基于硬件描述語言編程的設(shè)計(jì)方法，利用DSP Builder提供的模塊進(jìn)行建模，使得整個(gè)設(shè)計(jì)工作更加簡單，高效，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，節(jié)約了成本。

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