基于PCI9820和GP2015的GPS信號采集與頻譜分析

1 引  言

典型GPS接收機主要由4部分組成：天線、射頻前端、相關(guān)器和導航解算模塊。為保證GPS接收機的實時處理，關(guān)鍵的基帶信號處理模塊——相關(guān)器一般由專用集成電路來實現(xiàn)。對于軟件GPS接收機，其射頻前端模塊仍由硬件實現(xiàn)，基帶處理由軟件實現(xiàn)，其軟件平臺可以是數(shù)字信號處理器 (DSP)，也可以是通用PC機。采集真實GPS信號，把數(shù)據(jù)存在普通PC的硬盤上，利用PC豐富的軟硬件資源進行軟件接收機設(shè)計開發(fā)，是當前GPS接收機發(fā)展的一個活躍的方向。為保證采集GPS數(shù)據(jù)的有效性，要綜合考慮的指標包括采樣率、量化位數(shù)、數(shù)據(jù)連續(xù)完好性等指標，這是選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的依據(jù)。

本文介紹了一種基于PCI。總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用ADLINK公司生產(chǎn)的PCI9820數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)對ZARLINK公司的射頻模塊GP2015輸出的中頻GPS數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)存到硬盤上，以便后續(xù)的GPS基帶信號處理以及定位解算工作。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 PCI9820數(shù)據(jù)采集卡介紹

PCI9820 是一塊高速、高分辨率、高容量的PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，配備兩路模擬輸入端，具備同步采集的功能。它提供60 MHz的內(nèi)部時鐘基準，內(nèi)部時鐘基準下，當兩組模擬輸入同時工作時，最高采樣率為60 MS／s，而外部鐘基準下可達到65 MS／s；而當選取一路模擬輸入，若啟用“乒乓”模式，內(nèi)部時基下采樣率高達120 MS／s，外部時基下采樣率可以達到130 MS／s。

PCI9820 具備14 b的分辨率，14 b的A／D分辨率使得PCI9820在時域和頻域應用方面較為理想。輸入的范圍可由軟件選擇，提供-1～1 V或是-5～5 V兩種范圍。輸入阻抗可以通過手動跳線位于板卡背面的J6和J7，提供兩種選擇，分別為50 Ω和1 MΩ。

PCI9820 可以提供多樣的觸發(fā)選擇，觸發(fā)源包括軟件觸發(fā)、模擬觸發(fā)與數(shù)字觸發(fā)。模擬觸發(fā)功能提供多種觸發(fā)條件的選擇，數(shù)字觸發(fā)則提供上升沿觸發(fā)與下降沿觸發(fā)兩種選擇。可獲得的觸發(fā)模式有后觸發(fā)、預觸發(fā)、延時觸發(fā)和中間觸發(fā)。對于有極短暫間隔的連續(xù)觸發(fā)事件，可以用重復觸發(fā)模式獲取數(shù)據(jù)。在應用多卡同步功能時， PCI9820可以接受來自于SSI接VI及外部SMB接口的5 V／TFL數(shù)字觸發(fā)信號，并且多卡共用時鐘及觸發(fā)信號。

PCI9820延續(xù)凌華在DAQ-2000系列上的設(shè)計，提供自動校正功能，使用者只要通過一個軟件指令，就可以激活PCI9820上的自動校正功能，完成模擬輸入信道的校正工作，不需要任何繁雜手工操作。[!--empirenews.page--]

PCI9820 在數(shù)字設(shè)計方面，采用標準的SODIMMSDRAM來儲存資料。因為PCI9820的單一信道所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，已超過了33 MHz、32 b PCI總線的頻寬，所以數(shù)據(jù)在傳輸?shù)接嬎銠C之前都記錄在板載SDRAM中，然后再通過總線控制DMA傳輸?shù)街鳈C內(nèi)存中。當數(shù)據(jù)的速度超過PCI總線帶寬時，板卡上的內(nèi)存容量相對就顯得重要。PCI9820的標準版本配備64 MB的內(nèi)存，最高可支持到512 MB，可提供單一信道采集頻率達130 MS／s時，長達數(shù)秒的儲存空間。如果板卡的數(shù)據(jù)輸出小于PCI帶寬，PCI9820可以配置板載3k采樣數(shù)量的FIFO旁路SDRAM，完成直達主機內(nèi)存的實時數(shù)據(jù)傳輸。在一個多用戶或者多任務(wù)操作系統(tǒng)中，單獨分配一塊大的連續(xù)的內(nèi)存用于DMA傳輸是很困難的，所以PCI9820提供了聚散DMA功能，它能把分散的內(nèi)存塊連接成一個互連的表列，從而可以不受分散小容量內(nèi)存塊的影響實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3 GPS射頻芯片GP2015簡介

GP2015 是ZARLINK公司生產(chǎn)的TQFP封裝的小型射頻前端芯片。GP2015提供一個低功率、低成本和高可靠性的GPS射頻前端解決方案。GP2015包括一個片上合成器、混頻器、自動增益控制(AGC)和一個提供符號和量級數(shù)字輸出的量化器，構(gòu)成一個完整的GPS接收機射頻前端電路僅需要極少的外部元件?？梢耘c12信道GPS相關(guān)器GP2021或者GP4020等GPS基帶處理器配套使用，適合C／A代碼全球定位的衛(wèi)星接收機、時間標準、導航和測量的應用。

射頻前端主要由GP2015芯片及外圍濾波電路構(gòu)成。GP2015的輸人信號是自天線下行，經(jīng)前置放大器濾波、放大后的GPS信號 (L1波段為1 575.42 MHz)作為輸入信號與鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生的第一本振信號(1.4 GHz)混頻，經(jīng)濾波得到差頻信號(175.42 MHz)。該信號與第二本振信號(140 MHz)混頻，經(jīng)過聲表濾波器中心頻率選擇得到差頻信號(35.42 MItz)。該信號隨后進入中頻信號主放大器，這一部分由兩個AGC(自動增益控制)放大器和三級變頻器組成。信號首先經(jīng)過AGC放大，然后與第三本振信號(31.11 MHz)混頻，經(jīng)過低通濾波器選出中頻信號(4.309 MHz)。該中頻信號一路送往片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器，一路送往管腳1供測試使用。

在片內(nèi)該中頻信號隨后進入A／D轉(zhuǎn)換器進行2 b量化后，模擬信號轉(zhuǎn)換為二位數(shù)字信號——符號和模(SIGN和MAG)，分別表示輸出信號的極性和幅度值，它們來自于中頻模擬信號通過比較器比較之后實時輸出的比較結(jié)果。比較結(jié)果的輸出被基帶相關(guān)器提供的時鐘信號(5.714 Mttz)鎖定，鎖定后使4.309 MHz的信號變頻到1.405 MHz的數(shù)字信號。該數(shù)字信號輸出給基帶處理器做進一步處理。

這里使用的是GP2015第一管腳的4.309 MHz的模擬中頻信號，送到PCI9820數(shù)據(jù)采集卡，按照一定采樣率，采集得到數(shù)字中頻GPS信號。

用GP2015 構(gòu)建射頻模塊還包括外圍濾波器的設(shè)計，射頻濾波器的作用是濾除帶外干擾，特別是濾除1 224．58 MHz的鏡像噪聲，避免射頻前端第一級混頻器過載。該濾波器還有助于對900 MHz的移動電話所帶來的干擾進行濾除。射頻濾波器引入的插入損耗需要由LNA前置低噪放大器做出補償。具體細節(jié)可參考手冊及文獻[5-7]。

4采樣方案及信號頻譜分析

4.1 采樣方案

GP2015 輸出4.309 MHz的模擬中頻信號，而GPS的C／A碼帶寬為2.046 MHz，因此GPS信號所占頻帶為3.286～5.332 MHz，中頻信號的最高頻率為fH=5.332 MHz。按照Nyquist低通采樣定理，當采樣頻率fs≥2fH時，就能夠從采樣后的數(shù)據(jù)中無失真地恢復出原來的信號，信號在時域的采樣等效于在頻域的周期延拓，使fs≥2fH就是為了保證采樣后的信號頻譜不重疊，因此可知采樣頻率最低為fs=10.664 MHz。但采樣頻率越高，后端數(shù)字基帶處理的數(shù)據(jù)處理量就越大，對實時處理GPS信號帶來了困難。所以工程實際中經(jīng)常使用帶通采樣技術(shù)，降低采樣率，有利于簡化硬件、降低成本，同時減輕后續(xù)數(shù)據(jù)處理的壓力。

對于GPS中頻帶通信號，其帶寬為B=2.046 MHz，只要取fs≥2B的某些值，就可以保證采樣后的信號頻譜不重疊。這種采樣方式就稱為帶通采樣(Band-Sampling)，又叫欠采樣(Under-Sampling)，帶通采樣頻率fs可由下式確定：

其中，fH是帶通信號的最高頻率，fL是帶通信號的最低頻率，n為整數(shù)，取值范圍為2≤n≤fH／(fH-fL)。

對于這里的GPS中頻信號，fH=5.332 MHz，fL=3.286 MHz，由式(1)可得：

當n=2時，fs范圍：5.332 MHz≤fs≤6.572 MHz，因此在工程實際中，與GP2015配套的基帶芯片GP2021(GP4020)提供的采樣時鐘頻率為5.714 MHz，欠采樣得到1.405 MHz的數(shù)字中頻信號。

PCI9820 采集卡的內(nèi)部時鐘基準為60 MHz，可在軟件中設(shè)定對其進行整數(shù)比率的分頻，即fs=60／n，n為整數(shù)，我們?nèi)=10，得到采樣頻率fs=6 MHz，按此頻率對GPS中頻信號采樣得到1.691 MHz的數(shù)字中頻信號。實驗中還采用低通采樣頻率fs=12 MHz進行對比實驗。[!--empirenews.page--]

4.2 PCI9820雙緩沖數(shù)據(jù)采集模式

在DOS 環(huán)境下，一次DMA或中斷方式采集數(shù)據(jù)通常不能超過640 kB。在Windows環(huán)境下，一次DMA的數(shù)據(jù)量依賴于板卡的PCI控制芯片的尋址范圍和系統(tǒng)物理內(nèi)存大小，雖然可能很大但仍無法實現(xiàn)較長時間實時數(shù)據(jù)采集功能，而PCI9820提供的雙緩沖模式可以解決這一問題。

雙緩沖一個是循環(huán)緩沖，一個是用戶緩沖。循環(huán)緩沖又分成兩個部分。采集的數(shù)據(jù)先寫入循環(huán)緩沖區(qū)，當半滿時，循環(huán)緩沖區(qū)的前半部分寫入到用戶緩沖區(qū)中。采集的數(shù)據(jù)繼續(xù)向循環(huán)緩沖區(qū)的后半部分寫入。當循環(huán)緩沖區(qū)全寫滿時，循環(huán)緩沖區(qū)的后半部分數(shù)據(jù)再寫入用戶緩沖區(qū)中，此時，采集的數(shù)據(jù)會繼續(xù)寫入循環(huán)緩沖區(qū)的前半部分。如此反復，每半滿一次，循環(huán)緩沖區(qū)的前或后半部分就會被寫到用戶緩沖區(qū)中去，從而達到連續(xù)高速采集的功能。值得注意的是，雙緩沖方式涉及到內(nèi)存的頻繁讀寫，因此當采樣速率很高或是系統(tǒng)任務(wù)很繁忙的時候，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。具體程序設(shè)計可參考例程和文獻[3，4]。

4.3 采樣信號分析

按照前面介紹的采樣頻率方案以及PCI9820的雙緩沖數(shù)據(jù)采集模式，我們對GP2015的中頻信號進行采集，數(shù)據(jù)存在計算機硬盤上，在Matlab軟件平臺下對這些數(shù)據(jù)進行時頻分析，并進行捕獲跟蹤處理。

結(jié)果表明當采樣頻率為6 MHz和12 MHz時，數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，為后續(xù)軟件基帶處理提供了真實可靠的數(shù)據(jù)。圖3，圖4分別為采樣頻率為6 MHz和12 MHz的信號頻譜圖，圖5為以6 MHz進行采樣的數(shù)據(jù)進行相關(guān)捕獲運算，得到的9號衛(wèi)星捕獲結(jié)果圖，表明數(shù)據(jù)完好可用。

5 結(jié)語

利用PCI9820高性能數(shù)據(jù)采集卡和GP2015射頻模塊構(gòu)建的GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實現(xiàn)了對GPS信號長時間連續(xù)采集，并對數(shù)據(jù)進行了分析處理，結(jié)果表明數(shù)據(jù)連續(xù)完好，可用于后續(xù)基帶處理，實現(xiàn)了軟件GPS接收機，也為其他帶通信號的采集處理提供了參考。