吳麗娜

（中鐵十九局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，遼寧遼陽(yáng) 111000）

GPS信號(hào)預(yù)處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

吳麗娜

（中鐵十九局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司，遼寧遼陽(yáng) 111000）

隨著GPS全球定位系統(tǒng)的不斷完善，GPS定位系統(tǒng)在硬件和軟件的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷發(fā)展。GPS接收機(jī)是GPS系統(tǒng)的核心設(shè)備，而GPS工作的關(guān)鍵是正確的信號(hào)同步。一般認(rèn)為，GPS信號(hào)預(yù)處理是GPS精密定位數(shù)據(jù)處理中非常重要的一步，預(yù)處理質(zhì)量直接影響到最終的定位結(jié)果。探討GPS信號(hào)預(yù)處理存在的問題，解析A/D轉(zhuǎn)換的要點(diǎn)并利用MATLAB仿真軟件進(jìn)行試驗(yàn)。

A/D轉(zhuǎn)換；MATLAB仿真軟件；濾波處理

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.55

0 A/D轉(zhuǎn)換

由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別數(shù)字信號(hào)和對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，所以必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換就是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，分為采樣、量化、編碼3個(gè)步驟。

0.1 采樣

對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào)x（t），其相應(yīng)的瞬時(shí)值（即通常稱為離散化）是由一定的時(shí)間間隔提取的Ts，這稱為采樣。連續(xù)模擬信號(hào)x（t）被轉(zhuǎn)換成離散模擬信號(hào) xs（nTs）要經(jīng)過采樣，整個(gè)過程被稱為采樣信號(hào)。

采樣周期Ts決定采樣信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量。因此，必須選擇合適的采樣周期 Ts，以確保 xs（nTs）不會(huì)丟失原始信號(hào) x（t）。這個(gè)依據(jù)就是采樣定理[1]。

0.2 量化

對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣后，它成為離散采樣信號(hào)，但在采樣時(shí)間τ內(nèi)其振幅是連續(xù)的，因此采樣信號(hào)仍然是模擬信號(hào)。為了利用計(jì)算機(jī)處理信號(hào)，必須將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，即采樣信號(hào)的幅值以二進(jìn)制代碼表示。由于二進(jìn)制碼的位數(shù)有限，它只能表示有限信號(hào)的電平。因此，在編碼之前，采樣信號(hào)應(yīng)該首先量化[2]。

最小數(shù)量單位稱為量化單位。量化單位定義為量化器滿量程電壓FSR與2n的比值，用q表示，因此有式（1）。

式中n——量化器的位數(shù)

0.3 編碼

編碼是模數(shù)轉(zhuǎn)換的最后階段。編碼意味著量化信號(hào)的電平由數(shù)字代碼表示，而編碼有多種形式，最常用的是二進(jìn)制碼。二進(jìn)制數(shù)字有兩個(gè)可能的狀態(tài)0和1，數(shù)字表示量化的信號(hào)測(cè)量。因此，所謂的二進(jìn)制碼，是用1和0組成的n位數(shù)字來表示量化電平[3]。

1 A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

1.1 采樣

GPS接收機(jī)從空中接收的衛(wèi)星信號(hào)采樣頻率為4×1575.42 MHz。經(jīng)過二次降頻后得到頻率為20.46 MHz的中頻信號(hào)，根據(jù)采樣定理，以4倍頻率對(duì)其進(jìn)行采樣，即每間隔77個(gè)點(diǎn)采集一個(gè)數(shù)據(jù)，這就相當(dāng)于以頻率81.84 MHz采樣。

1.2 量化、編碼

通過采樣得到的信號(hào)幅值是連續(xù)的，需要進(jìn)行量化將幅值連續(xù)的采樣變成幅值離散的采樣并將量化結(jié)果編碼輸出則完成了A/D轉(zhuǎn)換過程。常用編碼有6位，8位，10位，12位，14位和16位等，在本設(shè)計(jì)中采用8位二進(jìn)制編碼。

將采樣輸出數(shù)據(jù)放大后進(jìn)行編碼，用第一位表示符號(hào)位，當(dāng)采樣數(shù)據(jù)為正時(shí)，符號(hào)位取0；當(dāng)采樣數(shù)據(jù)為負(fù)時(shí)，符號(hào)位取1。由于放大后信號(hào)幅值在±3之間，所以用兩位編碼表示整數(shù)位。

2MATLAB仿真軟件

MATLAB是一種功能十分強(qiáng)大，運(yùn)算效率很高的數(shù)學(xué)工具軟件。MATLAB作為一門高級(jí)語言，和其他高級(jí)語言（C，F(xiàn)ortran和Basic等）一樣，可以進(jìn)行控制流的程序設(shè)計(jì)，這就是M文件的編程工作方式。M文件有2種：命令式（Script）和函數(shù)式（Function）。本研究選用編寫函數(shù)式M文件的方式來實(shí)現(xiàn)仿真過程[4]。

3 數(shù)據(jù)源

本次設(shè)計(jì)采用0.1 ms無噪聲衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)源，中心頻率為1575.42 MHz，采樣頻率為 4×1575.42 MHz，一共有 630 168 個(gè)采樣數(shù)據(jù)。運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行仿真。

s_datablock是數(shù)據(jù)源文件的變量，一共有630 168個(gè)采樣數(shù)據(jù)，在MATLAB中命令窗口中鍵入命令：s_datablock(801:900)，則可顯示數(shù)據(jù)源的第801～900個(gè)數(shù)據(jù)。

在 MATLAB 命令窗口中鍵入命令：plo（ts_datablock），則可以顯示0.1 ms無噪聲衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)源波形。

4 降頻部分的實(shí)現(xiàn)

降頻部分仿真代碼：

function m=fdown(s_datablock)

load‘(D:matlabworksi3_148.mat’)% 加載文件 si3_148 中變量到工作空間

%二次降頻。

%GPS衛(wèi)星信號(hào)L1波段的中心頻率為f=1575.42 MHz，下變頻到20.46 MHz

t1=1:630168;

y1=cos(1500*2*pi*t1/(4*1575.42e6));%第一本振

fdown1=y1.*s_datablock;%混頻，進(jìn)行第一次降頻

w1=(75.42e6-10e6)/(2*1575.42e6);%濾波器邊緣頻率

w2=(75.42e6+10e6)/(2*1575.42e6);

b1=fir1(37，[w1 w2]，‘bandpass’);%帶通濾波器

lvbo1=fftfilt(b1，fdown1);%取出差頻75.42 MHz

d1=2*lvbo1;%幅值恢復(fù)

t2=1:630168;

y2=cos(54.96*2*pi*t2/(4*1575.42e6));%第二本振

fdown2=y2.*d1;%混頻，進(jìn)行第二次降頻

w3=(20.46e6-10e6)/(2*1575.42e6);%濾波器邊緣頻率

w4=(20.46e6+10e6)/(2*1575.42e6);

b2=fir1(37，[w3 w4]，‘bandpass’);%帶通濾波器

lvbo2=fftfilt(b2，fdown2);%取出差頻20.46 MHz

d2=2*lvbo2;%幅值恢復(fù)

經(jīng)過二次降頻以及濾波處理，將頻率為1575.42 MHz的GPS衛(wèi)星信號(hào)降為20.46 MHz中頻信號(hào)。

5 A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

5.1 采樣部分

（1）采樣、放大處理仿真代碼。

%采樣部分。每隔77點(diǎn)采1個(gè)相當(dāng)于81.84 MHz采樣。For j=1:77:length(d2)

y(floor(j/77)+1)=d2(j);%floor函數(shù)為向負(fù)方向舍入。

end

y=80*y;%信號(hào)放大

plot(y);%顯示經(jīng)降頻，采樣，放大后波形。

saveyy;%將經(jīng)過降頻，采樣，放大處理后的數(shù)據(jù)保存在文件y中，變量名為y。

（2）經(jīng)過二次降頻、采樣處理后波形。在二次降頻基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣處理，每隔77個(gè)點(diǎn)采1個(gè)，相當(dāng)于81.84 MHz采樣，則由數(shù)據(jù)源的630 168個(gè)采樣點(diǎn)變成8184個(gè)采樣數(shù)據(jù)。如圖1所示。

圖1 經(jīng)過二次降頻、采樣處理后波形

（3）經(jīng)過二次降頻、采樣、放大處理后波形。從圖1可以看到，GPS接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)在經(jīng)過降頻、采樣處理后，幅值在±0.04之間，為了便于進(jìn)行以后的量化和編碼，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，放大80倍。

（4）y是經(jīng)過降頻、采樣、放大處理后的GPS衛(wèi)星信號(hào)，共有8184個(gè)采樣數(shù)據(jù)。在MATLAB命令窗口中鍵入命令：y(801:900)，則可顯示y的第801～900個(gè)數(shù)據(jù)。

5.2 量化、編碼

（1）量化、編碼部分仿真代碼。量化、編碼部分采用8位二進(jìn)制編碼，對(duì)每一位分別進(jìn)行編碼。

（2）編碼結(jié)果。經(jīng)過采樣處理后共有8184個(gè)采樣數(shù)據(jù)，采用8位二進(jìn)制編碼。由采樣數(shù)據(jù)看出整數(shù)部分在±3之間，所以用第一位表示符號(hào)位，第二、第三位表示整數(shù)位，第四至第八位表示小數(shù)位。在MATLAB命令窗口中鍵入命令：m（801：900），顯示第801～900個(gè)編碼結(jié)果。

（3）編碼結(jié)果分析。8位編碼有28=256個(gè)量化級(jí)，10位編碼有210=1024個(gè)量化級(jí)。就數(shù)據(jù)0.0180而言，采用8位編碼，二進(jìn)制輸出結(jié)果為00000000；采用10位編碼，輸出結(jié)果為0000000010。

可見，增加編碼位數(shù)能減小量化誤差，得到的結(jié)果更精確。碼的位數(shù)的多少，決定了量化分層地多少。

6 結(jié)束語

模數(shù)轉(zhuǎn)換的編碼結(jié)果有6位、8位、10位、12位、14位等，本設(shè)計(jì)采用了8位二進(jìn)制編碼。碼位數(shù)的選擇與通信的質(zhì)量和設(shè)備的復(fù)雜程度有關(guān)，編碼位數(shù)的數(shù)量決定了量化分層的數(shù)量,因此編碼位數(shù)越多，量化分層越細(xì)，量化噪聲就越小，通信質(zhì)量也就越好。采用8位編碼量化誤差較大,在A/D轉(zhuǎn)換中仍有待研究和改進(jìn)。

［1］李玉柏，彭啟琮.軟件數(shù)字下變頻的實(shí)現(xiàn)與算法分析［J］.通信學(xué)報(bào).2000（10）：45-46.

［2］白晉峰，王大鳴.直擴(kuò)GPS中頻數(shù)字接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)［J］.艦船電子工程.2004（4）：102-103.

［3］儲(chǔ)鐘圻.數(shù)字衛(wèi)星通信［M］.第 1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［4］邊少鋒，李文魁.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概論［M］.第 1 版.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［5］謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［6］（美）Kaplan,GPS原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

P228.4

B

〔編輯 利 文〕