摘  要: 提出GPS接收機(jī)集成設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)的研制思想,進(jìn)行GPS系統(tǒng)的建模、仿真和接收機(jī)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的技術(shù)手段、開(kāi)發(fā)模式" title="開(kāi)發(fā)模式">開(kāi)發(fā)模式及仿真設(shè)計(jì)流程,建立以數(shù)字中頻" title="數(shù)字中頻">數(shù)字中頻信號(hào)為參考點(diǎn)的信號(hào)模型,并給出整體設(shè)計(jì)方案。

　　關(guān)鍵詞: GPS  系統(tǒng)建模與仿真  可編程片上系統(tǒng)

　　隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的空前發(fā)展和全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)在軍事、民用眾多領(lǐng)域日益廣泛的應(yīng)用,越來(lái)越多的廠商投入到GPS用戶端設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)中。其中GPS接收機(jī)和專(zhuān)用芯片的研制融合了衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線通信、嵌入式系統(tǒng)、微電子技術(shù)等多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的知識(shí),新技術(shù)、新方法、新產(chǎn)品不斷出現(xiàn),在研究開(kāi)發(fā)的早期要對(duì)新的處理技術(shù)和不同的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析、比較和驗(yàn)證,需要一種易用的、精確的GPS信號(hào)與接收機(jī)模型和系統(tǒng)級(jí)" title="系統(tǒng)級(jí)">系統(tǒng)級(jí)仿真工具^[1][2]。在當(dāng)前技術(shù)條件下這種模型和工具可以進(jìn)一步發(fā)展為將經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的新設(shè)計(jì)吸收并集成到新的接收機(jī)、概念機(jī)以至原型機(jī)中的系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)。

1 輔助GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)的提出

　　隨著技術(shù)的發(fā)展,GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)由單通道序貫?zāi)Ｊ?、時(shí)分多路復(fù)用模式發(fā)展到并行多通道模式,絕大多數(shù)接收機(jī)采用了數(shù)字信號(hào)處理" title="數(shù)字信號(hào)處理">數(shù)字信號(hào)處理模塊。將數(shù)字信號(hào)處理電路與應(yīng)用處理器做成單芯片,即內(nèi)嵌" title="內(nèi)嵌">內(nèi)嵌MPU/MCU的GPS SOC(System on Chip)芯片的產(chǎn)品已陸續(xù)面市。新的數(shù)字信號(hào)處理算法、捕獲與跟蹤方法、參數(shù)估計(jì)方法、高動(dòng)態(tài)和高精度定位算法、組合導(dǎo)航濾波算法等不斷應(yīng)用于GPS隨機(jī)軟件中。同時(shí),GPS系統(tǒng)將增加新的擴(kuò)頻M碼,并為民用用戶增加在L2上的C/A碼和新的L5頻率。傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)和芯片由于不具有可升級(jí)性、不能同時(shí)兼容新的空中接口方案將會(huì)逐漸被淘汰。

　　在現(xiàn)有技術(shù)條件下,GPS接收機(jī)對(duì)各種動(dòng)態(tài)環(huán)境下的多通道衛(wèi)星信號(hào)的實(shí)時(shí)數(shù)字化處理仍需借助硬件實(shí)現(xiàn)。選用FPGA器件作為GPS數(shù)字信號(hào)處理的硬件平臺(tái),不僅可以提供純軟件信號(hào)處理尚不能達(dá)到的實(shí)時(shí)性以及ASIC相關(guān)器所不具備的靈活性和可擴(kuò)展性,而且可以將GPS接收機(jī)的相關(guān)器、CPU及其接口、更多的功能單元集合在一塊內(nèi)嵌DSP或其他嵌入式處理器內(nèi)核的FPGA器件上,即實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)和應(yīng)用處理的可編程片上系統(tǒng)SOPC(System On a Programmable Chip)。要適應(yīng)新的GPS波形和應(yīng)用只需改動(dòng)接收機(jī)中的軟件和固件,使接收機(jī)用戶不需要購(gòu)買(mǎi)新的GPS硬件即可完成面向新系統(tǒng)并不斷改變的應(yīng)用要求、性能要求(如高動(dòng)態(tài)性能的提高、新的載波跟蹤技術(shù)的應(yīng)用等)的升級(jí)。

　　要用FPGA實(shí)現(xiàn)SOPC,必須對(duì)FPGA設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的性能分析,不能僅限于時(shí)序的驗(yàn)證。在電子設(shè)計(jì)過(guò)程中系統(tǒng)級(jí)仿真占整個(gè)設(shè)計(jì)周期的比率已逐步提高到30%以上^[3]。由于高層應(yīng)用背景、系統(tǒng)目標(biāo)定義、算法及設(shè)計(jì)規(guī)范的千差萬(wàn)別,系統(tǒng)級(jí)仿真工具的開(kāi)發(fā)任務(wù)越來(lái)越多地轉(zhuǎn)移到了原有EDA工具的用戶——即電子產(chǎn)品和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者身上。GPS系統(tǒng)級(jí)建模仿真工具與新的GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)同樣可以由設(shè)計(jì)者集成在一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)之上并實(shí)現(xiàn)其相互驗(yàn)證和轉(zhuǎn)化。這一平臺(tái)不僅可以提供蘊(yùn)含GPS知識(shí)工程與專(zhuān)家系統(tǒng)資源的GPS系統(tǒng)級(jí)仿真和設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具,還可以直接形成概念GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì),形成GPS信號(hào)處理器的行為級(jí)模型和HDL設(shè)計(jì),直接用于先進(jìn)的GPS接收機(jī)系統(tǒng)與芯片的開(kāi)發(fā)。

2 開(kāi)發(fā)模式和設(shè)計(jì)仿真的流程

　　在輔助GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)研制中采用一種新的開(kāi)發(fā)模式和設(shè)計(jì)仿真方法,如圖1、圖2所示。首先在Mathworks公司的Simulink環(huán)境中通過(guò)信號(hào)互連的Blocks(部件)組成系統(tǒng)模型,由Matlab定制信號(hào)驅(qū)動(dòng)仿真和分析結(jié)果,通過(guò)由FPGA廠商提供的第三方工具(例如Altera公司面向其內(nèi)嵌嵌入式微處理器的器件Excalibur系列的SOPC Builder、面向其內(nèi)嵌DSP block的器件如Stratix系列的DSP Builder、Xilinx公司面向其內(nèi)嵌DSP的FPGA器件的System Generator等工具)可以產(chǎn)生硬件TestBench(測(cè)試基準(zhǔn)),比較Simulink和后續(xù)的HDL仿真的結(jié)果;經(jīng)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)被移植到硬件時(shí),無(wú)對(duì)應(yīng)硬件實(shí)現(xiàn)的Blocks如TestBench驅(qū)動(dòng)和分析模塊將被自動(dòng)舍棄。在Simulink中的仿真速度比HDL仿真大大加快,使實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的仿真成為可能,仿真得到的結(jié)果與硬件實(shí)現(xiàn)的結(jié)果是精確匹配的。通過(guò)Simulink和HDL的協(xié)同仿真,在開(kāi)發(fā)早期階段即能看到預(yù)期的硬件結(jié)果,從而使設(shè)計(jì)過(guò)程大為簡(jiǎn)化。這種開(kāi)發(fā)模式在成本、易用性、多速率和連續(xù)信號(hào)支持、控制邏輯和復(fù)雜系統(tǒng)構(gòu)建和仿真等諸多方面均有優(yōu)勢(shì)。

3 GPS接收機(jī)模型及模擬產(chǎn)生GPS信號(hào)的邏輯點(diǎn)的選擇

　　建模與仿真首先對(duì)GPS接收機(jī)天線接收到的衛(wèi)星信號(hào)模擬,然后著重研究GPS接收機(jī)的系統(tǒng)級(jí)模型、仿真分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證,接收機(jī)部分主要針對(duì)圖3給出GPS接收機(jī)模型框圖中的A、B、C三個(gè)模塊。

　　將模擬產(chǎn)生GPS信號(hào)的邏輯點(diǎn)選在接收機(jī)由A/D變換器產(chǎn)生的數(shù)字化中頻處,即圖3所示A部分輸出與B部分輸入處,開(kāi)始數(shù)字化處理之前。理由有四:

　　(1)盡管Simulink可以對(duì)時(shí)間連續(xù)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,但Matlab和Simulink本身是工作在計(jì)算機(jī)離散化的數(shù)字處理基礎(chǔ)上的,對(duì)連續(xù)信號(hào)來(lái)說(shuō)事實(shí)上是一種偽模擬環(huán)境。要在此環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻模擬信號(hào)精確仿真,依賴(lài)于時(shí)間密集的高速采樣,非常消耗計(jì)算資源,一般要得到一個(gè)可用的仿真結(jié)果需要等待長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)算;

　　(2)大多數(shù)現(xiàn)代的GPS接收機(jī)對(duì)下變頻后的模擬中頻信號(hào)進(jìn)行A/D變換,以便采用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行處理如數(shù)字跟蹤、數(shù)字相關(guān)、數(shù)字濾波等;

　　(3)許多誤差因素和接收機(jī)效應(yīng)可以在這一點(diǎn)精確建模,通過(guò)推導(dǎo)得到其解析表達(dá)式;

　　(4)不含反饋信息的信號(hào)可以很好地與Matlab的代碼順序處理機(jī)制相適應(yīng),從而使代碼流程清晰,使用簡(jiǎn)單,只需輸入幾個(gè)控制仿真操作的預(yù)定義參數(shù)即可。

4  數(shù)字中頻信號(hào)模型的建立

　　圖3所示A部分輸出與B部分輸入處的數(shù)字中頻信號(hào)是模擬產(chǎn)生GPS信號(hào)的邏輯點(diǎn),也是數(shù)字信號(hào)處理電路的輸入。其數(shù)學(xué)模型的正確性將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能,是建模的首要任務(wù)。

　　在GPS系統(tǒng)T時(shí)刻到達(dá)GPS接收機(jī)天線的L1載波C/A碼RF信號(hào)可以表示為:

式中N為T(mén)時(shí)刻的可觀測(cè)衛(wèi)星總數(shù),j為可觀測(cè)衛(wèi)星的編號(hào),P^j_r為接收信號(hào)功率,C^j()和D^j()分別為第j顆衛(wèi)星的C/A碼和導(dǎo)航電文數(shù)據(jù),τ^j_g為群延遲,τ^j_g為相延遲,f_L1為L(zhǎng)1載波頻率,f^j_d為載波多普勒頻移,φ^j為L(zhǎng)1載波相位差的固定項(xiàng),φ^j_v(T)為隨機(jī)相位誤差項(xiàng),為頻漂或老化效應(yīng)造成的相位偏差。n(T)為背景噪聲項(xiàng),這里將L1 P碼信號(hào)視為隨機(jī)噪聲并入n(T)中,R_L1-MP為多徑誤差項(xiàng)。

　　GPS射頻前端電路輸出的中頻信號(hào)可以表示為:

　　式中f_IF為中頻信號(hào)的頻率,A_j為其電平幅度;n_IF(T)為中頻噪聲項(xiàng),包含n(T)經(jīng)各級(jí)濾波器之后落在最終的中頻頻帶內(nèi)的噪聲、混頻和濾波電路產(chǎn)生的諧波、本振反饋和鏡象噪聲等的影響。

    若考慮接收機(jī)參考頻率源的誤差,則(2)式中的f_IF由數(shù)字中頻信號(hào)的標(biāo)稱(chēng)頻率f_{IF_nom}和其誤差項(xiàng)f_{IF_err}組成,即f_IF=f_{IF_nom}+f_{IF_err}。理論上振蕩器鐘差影響采樣頻率,在采樣時(shí)間上帶來(lái)抖動(dòng)。在仿真中若采用非統(tǒng)一的采樣時(shí)間,將會(huì)顯著降低仿真速度。通過(guò)均勻采樣,并插入頻率誤差項(xiàng)到信號(hào)表示式中來(lái)模擬其影響。這樣可將(2)式中的接收時(shí)間取為固定采樣頻率f_S下的采樣時(shí)間kT_S,k=0，1，2，…。這樣得到數(shù)字中頻信號(hào)表示式為:

5 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　整個(gè)GPS系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)的研制著眼于實(shí)際硬件系統(tǒng)的仿真,先進(jìn)的信號(hào)處理和跟蹤算法、設(shè)計(jì)方法的吸收與集成,不求復(fù)雜性而求其實(shí)用性和靈活性。開(kāi)發(fā)內(nèi)容分為以下三部分:

　　(1)GPS信號(hào)軟件模擬器(數(shù)字中頻信號(hào)產(chǎn)生模塊)

　　對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線傳播信道、GPS接收機(jī)天線、射頻下變頻、濾波和采樣量化之后形成數(shù)字化中頻(或零中頻)信號(hào)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行建模和仿真,得到數(shù)字化中頻(或零中頻)信號(hào)輸出數(shù)據(jù)文件。這一部分采用Matlab代碼編程實(shí)現(xiàn)。

這一仿真是在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。AGC電路模型可以分別采用Matlab代碼和Simulink Block兩種方式實(shí)現(xiàn)。前者仿真可以更快、更精確,但在接收機(jī)噪聲不為常數(shù)時(shí)計(jì)算給定時(shí)間間隔的最佳門(mén)限并實(shí)現(xiàn)反饋控制較為困難;而后者可以實(shí)現(xiàn)重配置的AGC模型,更逼真地模擬AGC有限響應(yīng)時(shí)間的波動(dòng),用于分析干擾環(huán)境的影響。

　　(2)GPS接收機(jī)數(shù)字信號(hào)處理模塊

　　實(shí)現(xiàn)GPS接收機(jī)數(shù)字信號(hào)處理部分的模型,對(duì)典型GPS接收機(jī)中的去載波、碼相關(guān)和跟蹤環(huán)路(即圖3所示解調(diào)和跟蹤部分)進(jìn)行建模和仿真。這部分在Simulink中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

　　為了對(duì)軟件的模型精度進(jìn)行驗(yàn)證,選擇Zarlink公司的GPS芯片集GP2010/GP2015和GP2021進(jìn)行建模,模仿信號(hào)在已知硬件上的效應(yīng)和現(xiàn)象以便與真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)比。同時(shí)所建模型也可針對(duì)其他接收機(jī)設(shè)計(jì)的模型重新配置,使設(shè)計(jì)具備足夠的靈活性以適應(yīng)不同硬件仿真的需求。GP2021芯片由時(shí)基產(chǎn)生電路、地址譯碼器、總線接口、狀態(tài)寄存器和12通道并行相關(guān)器組成,每一通道的跟蹤模塊相互獨(dú)立。每個(gè)相關(guān)器集成了碼同步環(huán)和載波同步環(huán)的關(guān)鍵部件,要形成閉合的捕獲跟蹤環(huán)路還需要后邊的CPU軟件完成比較和控制^[4]。

　　(3)驗(yàn)證和評(píng)估模塊

　　提取實(shí)際接收機(jī)觀測(cè)量和解調(diào)數(shù)據(jù)輸出并與前兩部分仿真輸出結(jié)果作比較,為前兩部分的設(shè)計(jì)提供功能和性能的驗(yàn)證與評(píng)估。這一模塊在Matlab環(huán)境中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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