【正文】 方法對(duì)天線特性進(jìn)行設(shè)置 從而達(dá)到覆蓋天線的所有工作頻段【５１。數(shù)字下變頻技術(shù)是Ａ／Ｄ后首先要完成的工作，包 括數(shù)字下變頻、濾波和二次采樣，運(yùn)算量大是最難完成的部分。開(kāi)發(fā)各種標(biāo)準(zhǔn)的信令模塊，研究通用的信令框架，實(shí) 現(xiàn)軟件無(wú)線電系統(tǒng)在無(wú)線接入時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化【６】。ＧＰＳ接收機(jī)主要由 ２ 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 四部分組成：天線、射頻前端、基帶處理和導(dǎo)航解算部分１２】【引。 對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，下面分模塊來(lái)看目前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，具體如下： （１）射頻前端的數(shù)字中頻結(jié)構(gòu) 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的數(shù)字化接口采用數(shù)字中頻結(jié)構(gòu)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行寬帶數(shù)字化處 理，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的中頻處理，在一定程度上簡(jiǎn)化了接收機(jī)前端電路設(shè)計(jì)，并 且對(duì)后續(xù)的數(shù)字化處理，具有更好的信號(hào)帶寬適應(yīng)性以及可擴(kuò)展性，相對(duì)于傳 統(tǒng)的模擬中頻方法，是一種優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。目前常用的是匹配濾波器法和基于ＦＦＴ的相關(guān)法。對(duì)于偽碼跟蹤過(guò)程一般采用延遲 鎖定環(huán)（Ｄｅｌａｙ Ｌｏｃｋ Ｌｏｏｐ，ＤＬＬ）來(lái)完成，對(duì)于載波跟蹤，一般常采用經(jīng)典的Ｃｏｓｔａｓ 鎖相環(huán)。 （４）偽距定位 在軟件接收機(jī)中，如果是對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理，則沒(méi)有本地參考時(shí)間， 即無(wú)本地守時(shí)電路，要完成偽距計(jì)算，可以利用每個(gè)衛(wèi)星的相同子幀到達(dá)接收 機(jī)天線的時(shí)延差來(lái)計(jì)算，這樣ＧＰＳ軟件接收機(jī)的定位原理和普通接收機(jī)仍是一 致的。具體內(nèi)容如下： 本文結(jié)構(gòu)組織如下： 第１章，緒論，概述課題的研究背景和意義。 第３章，軟件接收機(jī)總體設(shè)計(jì)和方法，介紹該課題所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)、 硬件平臺(tái)的選取、軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和軟件開(kāi)發(fā)的總流程。 ４ 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第２章ＧＰＳ系統(tǒng)基本原理和關(guān)鍵技術(shù) ２．１ ＧＰＳ系統(tǒng)概述 （１）空間部分，截止到２００８年２ 全球定位系統(tǒng)（ＧＰＳ）主要由三部分構(gòu)成： 月２９日，目前有效工作的ＧＰＳ衛(wèi)星的個(gè)數(shù)是３２顆，接收和存儲(chǔ)地面監(jiān)控站 發(fā)來(lái)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并向用戶(hù)連續(xù)不斷地發(fā)送衛(wèi)星信號(hào)；（２）地面控制部分，由主 控站、地面天線、監(jiān)測(cè)站和通訊輔助系統(tǒng)組成；（３）用戶(hù)設(shè)備部分，即ＧＰＳ信 號(hào)接收機(jī)和定位解算設(shè)備【ｌ到。根據(jù)導(dǎo) 航電文，可進(jìn)行解算，由于衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有４ 個(gè)未知數(shù)，觀測(cè)點(diǎn)的位置（ｘ，Ｙ，ｚ）和鐘差，因而需要引入第４顆衛(wèi)星，形成４個(gè) 方程式進(jìn)行求解【ｌ引。 ２．２ ＧＰＳ衛(wèi)星信號(hào) ＧＰＳ衛(wèi)星信號(hào)由載波信號(hào)（Ｌ１和Ｌ２）、測(cè)距碼（Ｃ／Ａ碼和Ｐ碼）和導(dǎo)航電文（Ｄ 碼，又稱(chēng)為數(shù)據(jù)碼或基帶信號(hào)）三部分組成【１４】。Ｐ碼為 軍用碼，Ｃ／Ａ碼為一般的民用碼。以一個(gè)３級(jí)的反饋移位寄存器為例，如圖２．３所示： 圖２．３ ３級(jí)的反饋移位寄存器 則一共有８種碼型，其運(yùn)行周期表如表２．１所示： 表２．１ ３級(jí)的反饋移位寄存器運(yùn)行周期表 各級(jí)狀態(tài) 模２加反饋 末級(jí)輸出的二進(jìn)制數(shù) 狀態(tài)編號(hào) ① １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ｌ Ｏ ０ １ Ｏ １ １ ｌ ② １ １ Ｏ ０ １ ０ ｌ １ ③ １ １ １ Ｏ Ｏ ｌ ０ １ ②＋③－＞① ０ ０ ｌ ０ １ １ １ ０ １ １ １ Ｏ Ｏ １ Ｏ １ Ｃ／Ａ碼碼率１． ０２３ＭＨｚ， 碼長(zhǎng)Ｎ＝２１０＿１， 即１０２３， 周期為 １０２３／（１．０２３＂１０６）＝１ｍｓ，碼寬為ｌｍｓ／１０２３＝０．９７８微秒，則定位精度為３１ ０８ Ｘ ０．９７８微秒＝２９３ｍ。導(dǎo)航電文的每個(gè)子幀的第一個(gè)碼都是 遙測(cè)碼，作為捕獲導(dǎo)航電文的前導(dǎo)，也稱(chēng)為同步碼，具體碼位為：１０００１００，同 步信號(hào)為各子幀提供了一個(gè)同步起點(diǎn)，使用戶(hù)便于解釋電文數(shù)據(jù)【１４】。 簡(jiǎn)單的說(shuō)，ＧＰＳ信號(hào)就是用Ｄ碼調(diào)制一個(gè)偽隨機(jī)噪聲碼，然后再相位調(diào)制 到Ｌ１和Ｌ２載波上，最后衛(wèi)星向地面發(fā)送這種已調(diào)波Ｌｌ和Ｌ２。 ２．４ ＧＰＳ基帶信號(hào)處理 ＧＰＳ基帶信號(hào)處理是所處理的對(duì)象是ＧＰＳ數(shù)字中頻信號(hào)。 。通過(guò)本地載波和本地偽碼產(chǎn)生簡(jiǎn)要描 述了一顆衛(wèi)星信號(hào)的解擴(kuò)解調(diào)過(guò)程㈣。由于巨大的數(shù)據(jù)處理量，捕獲時(shí)間變得很長(zhǎng)， 根據(jù)相關(guān)運(yùn)算，可以將串行捕獲轉(zhuǎn)化為并行捕獲，其具體過(guò)程如下所示： ｘ（療）和ｃ（終）之間的相關(guān)運(yùn)算表示為： ．Ｎ。１（露） Ｘ－１（后）表示離散傅立葉變換的反變換。ＩＯＫＨｚ（高動(dòng)態(tài)）或＋５Ｋｎｚｄ氐動(dòng)態(tài)）頻偏）。 ２．４．２信號(hào)的跟蹤 捕獲到衛(wèi)星信號(hào)后，即可利用碼跟蹤環(huán)和載波跟蹤環(huán)對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤，實(shí) 現(xiàn)接收機(jī)本地復(fù)現(xiàn)信號(hào)和輸入信號(hào)的準(zhǔn)確同步。本文采用６個(gè)相關(guān)器的非相干 ＤＬＬ設(shè)計(jì)，即超前滯后能量差鑒相器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖２－９所示： 輸入信號(hào) ． 訇Ｉ蒜灌霧＝文 一 口 零 群翮氮 妒 地Ｔ上Ｉ碼Ｔ●下專(zhuān) √ 碼環(huán)鑒相器 偽一Ｐ一 發(fā)～Ｌ叫 、 螺態(tài) 累加積分 ＮＣ０ 圖２－９ ＤＬＬ結(jié)構(gòu)框圖 該ＤＬＬ雖然計(jì)算量偏大，但偏移量大于177。１１２碼片間距，Ｄ值處于（．０．５，Ｏ．５） 中無(wú)需調(diào)整碼相位，否之進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)碼相位跟蹤上后，Ｄ輸出即為導(dǎo)航電文。圖２．１０給出了科斯塔斯環(huán)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖： １３ 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖２．１０科斯塔斯環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 科斯塔斯環(huán)包含兩個(gè)本地信號(hào)，一個(gè)是同相載波信號(hào)，另一個(gè)是正交的載 波信號(hào)，假設(shè)本地產(chǎn)生了同頻同相的載波，則Ｉ、Ｑ支路輸出的表達(dá)式分別為： Ｄｒ（ｎ）ｃｏｓ（ｃｏ，Ｆｎ）ｃｏｓ（ｃｏ伊胛＋≯）＝寺Ｄ２（聆）ｃｏｓ（矽）＋去Ｄ‘（刀）ｃｏｓ（２ｃｏｌｐｎ＋≯）（２—１７） 二二 Ｄｒ（ｎ）ｃｏｓ（ｃｏ腰ｎ）ｓｉｎ（ｃｏ厲療＋矽）＝去Ｄ‘（刀）ｓｉＩｌ（矽）＋去Ｄ‘（ｎ）ｓｉｎ（２緲ｉｐｎ＋≯） 二 （２—１８） 二 其中矽為輸入信號(hào)載波相位與本地載波相位之間的相位差。 數(shù)字濾波器和壓控振蕩器傳遞函數(shù)分別為： １４ 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 弛）＝墜咎車(chē) （２－２１） ?。礁? 圖２．１１表示的整個(gè)傳輸函數(shù)可以表示為： （２—２２） ！墜魚(yú)芻177。憶為環(huán)路增益，ｆ為衰減因子，魄為自然振蕩頻率，Ｚ為抽樣時(shí) 間。導(dǎo)航電文的碼率為５０ｂｐｓ，而累加積分的時(shí)間可知輸 出電文的碼率為１０００ｂｐｓ，那么跟蹤環(huán)輸出的電文必須從１０００ｂｐｓ轉(zhuǎn)換為５０ｂｐ ｓ， 那么每２０個(gè)連續(xù)的值將轉(zhuǎn)換為１個(gè)值，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程將其稱(chēng)為位同步。 ２．４．４偽距的計(jì)算 關(guān)于ＧＰＳ接收機(jī)偽距的計(jì)算，傳統(tǒng)的ＡＳＩＣ的實(shí)現(xiàn)方式一般是采用ＮＣＯ 累計(jì)碼片或半碼片數(shù)的方式，該方式給電路實(shí)現(xiàn)增加了負(fù)擔(dān)，而且必須解調(diào)出 電文中的周內(nèi)秒計(jì)數(shù)才能聯(lián)合求算偽距。 １６ 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第３章ＧＰＳ軟件接收機(jī)的總體設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)流程 在第２章中，我們提到了通用ＧＰＳ接收機(jī)的典型架構(gòu)，并按模塊介紹并驗(yàn) 證了各模塊的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，本章將重點(diǎn)討論基于射頻前端而設(shè)計(jì)的 軟件接收機(jī)。除了ＧＰＳ中頻信 號(hào)數(shù)據(jù)采集需要實(shí)現(xiàn)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換之間與ＤＳＰ處理器之間的通信外，整個(gè)軟件接收 機(jī)的基帶信號(hào)處理、導(dǎo)航電文的提取和偽距的計(jì)算都是通過(guò)ＧＰＳ信號(hào)本身的信 息以及相關(guān)算法以軟件編程的方法得以實(shí)現(xiàn)的。于是根據(jù)采 樣需求，項(xiàng)目中采用的ＡＤＳ９３０Ｅ ８ｂｉｔｓ高速Ａ／Ｄ芯片完成數(shù)據(jù)的采樣，Ａ／Ｄ 芯 片的Ｄ８（ＭＳＢ）腳信號(hào)反應(yīng)的是信號(hào)的極性（１表示正極性，０表示負(fù)極性），那么 該芯片即可作為ｌｂｉｔ高速Ａ／Ｄ使用，采用ｌｂｉｔ將比８ｂｉｔ信號(hào)信噪比降低３ｄＢ， 但其簡(jiǎn)化了基帶處理的復(fù)雜度，權(quán)衡考慮采用ｌｂｉｔ數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣量化。 為了保證ＧＰＳ軟件接收機(jī)的實(shí)時(shí)性，運(yùn)算速度是選擇處理器所要考慮的重 要因素；另外由于處理的數(shù)據(jù)量比較大，數(shù)據(jù)的輸入和輸出的處理機(jī)制也是需 要考慮的；最后在滿(mǎn)足以上兩點(diǎn)要求之下，減少軟件無(wú)線電系統(tǒng)的硬件成本， 也是本次研究的主要目的之一。ＭｃＢＳ Ｐｌ 串口和ｕＴｏＰｎ接口復(fù)用，ＭｃＢＳＰ２串口和ＰＣＩ的ＥＥＰＲＯＭ接口復(fù) 用?？刹?用單一的＋ＳＶ電源供電或標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)電源供電口”。配置可以是軟件仿真（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）也可是硬件仿真（Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ）。為ＣＣＳ配置好好相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)后，ＣＣＳ就可進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了。根據(jù)軟件接收機(jī)設(shè)計(jì) 的應(yīng)用要求，具體開(kāi)發(fā)流程可總結(jié)為如下過(guò)程： 第一步：根據(jù)應(yīng)用需求和硬件存儲(chǔ)空間大小，分配數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間； 第二步：Ｃ語(yǔ)言算法實(shí)現(xiàn)； 第三步：根據(jù)硬件處理平臺(tái)特點(diǎn)通過(guò)編程技巧進(jìn)行Ｃ語(yǔ)言算法優(yōu)化，如減 少浮點(diǎn)運(yùn)算、盡量進(jìn)行并行處理、使用軟件流水線等； 第四步：經(jīng)測(cè)試在不滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求下進(jìn)行線性匯編并進(jìn)行優(yōu)化； 第五步：利用ＣＣＳ自帶的優(yōu)化選項(xiàng)優(yōu)化程序； 第六步：將程序代碼燒制開(kāi)發(fā)板的ＦＬＡＳＨ中。由于要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，在ｊ芏序設(shè) 計(jì)前就必須對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行管理，經(jīng)常用到的變量定義為全局變量，并分配相 應(yīng)的空間，對(duì)于用完但是已不需再用的空間可進(jìn)行重復(fù)利用。 導(dǎo)航信息提取模塊：對(duì)跟蹤環(huán)輸出的導(dǎo)航電文信息進(jìn)行同步校驗(yàn)，并根據(jù) 解擴(kuò)出的電文實(shí)現(xiàn)偽距的計(jì)算。．Ｊ。一Ｉ饉０００?。?丑上。０ 一一一。：。 Ｃ６４ｘ ＣＰＵ使用２級(jí)的緩存結(jié)構(gòu)，大大提高了程序性能，當(dāng)片內(nèi)存儲(chǔ)空間不 夠時(shí)，才會(huì)考慮外擴(kuò)存儲(chǔ)空間，ＣＰＵ訪問(wèn)一級(jí)緩存可以無(wú)需任何延遲，Ｃ６４ｘ ＣＰＵ 和一級(jí)緩存的時(shí)鐘頻率都為６００ Ｍ；Ｌ２是Ｃ６４ｘ的片內(nèi)內(nèi)存，大小為１Ｍ，其時(shí) 鐘頻率相比于一級(jí)緩存的時(shí)鐘頻率減半，而外部存儲(chǔ)器時(shí)鐘頻率是１００Ｍ－１３３Ｍ， 因此要盡量避免ＣＰＵ訪問(wèn)外部?jī)?nèi)存【３０ｌ。 Ｆ ４．１．２鏈接器配置文件（ＣＭＤ命令文件） 以上是根據(jù)系統(tǒng)需求，在已有的硬件平臺(tái)上考慮的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的大小問(wèn) 題，另外基于ＣＣＳ的ＤＳＰ開(kāi)發(fā)時(shí)代碼和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間可利用鏈接器配置文 件來(lái)進(jìn)行配置的，稱(chēng)為ＣＭＤ命令文件，其中比較關(guān)鍵的就是ＭＥＭＯＲＹ和 ＳＥＣＴＩＯＮＳ兩個(gè)偽指令的使用。 本系統(tǒng)的ＣＭＤ文件如下所示： ＭＥＭ０１ｗ ｛ Ｌｌ： Ｌ２： Ｏ＝Ｏｈ Ｏ＝０００００ ４００ｈ Ｏ＝８００００ ０００ｈ ｌ＝０ｘ４００ ｌ＝００１００ ０００ｈ ｌ＝０２００００００ ０００ｈ 蘆ａｌｌ 產(chǎn)ａｌｌ ＳＲＡＭ ＳＤＲＡ Ｍ ＋／ ?／ ＳＤＲＡＭ： ） ＳＥＣＴｌ０ＮＳ ｛ ．ｂｏｏｔ—ｌｏａｄ＞Ｌ１ ．ｃｉｎｉｔ ．ｔｅｘｔ ＞ Ｌ ２ ＞ Ｌ ２ ＞ Ｌ ２ ＞Ｌ２ ．ｓｔａｃｋ ．ｂｓｓ ２４ 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ＞ ＞ ．ｃｏｎｓｔ Ｌ２ Ｌ２ Ｌ２ Ｌ２ Ｌ２ Ｌ２ Ｌ２ ．ｄａｔａ ．ｆａｒ ．ｓｗｉｔｃｈ ＞ ＞ ＞ ．ｓｙｓｍｅｍ ．ｔａｂｌｅｓ ．ＣｌＯ ＞ ＞ ＞ ．ｏＩｊＦ ｒａｍ ＳＤＲＡＭ ） Ｌ１對(duì)應(yīng)的是上節(jié)所提到的一級(jí)緩存，大小為１０２４個(gè)字節(jié)，Ｌ２為靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)， 從０００００４００ｈ地址開(kāi)始，長(zhǎng)度為３２７６８?jìng)€(gè)字節(jié)，在ＳＥＣＴＩＯＮＳ的偽指令中．ｏｆｆｒａ ｍ 的設(shè)置就可對(duì)對(duì)外接ＳＤＲＡＭ的進(jìn)行操作了，其起始地址為８０００００００ｈ，長(zhǎng)度 為２５６Ｍ。 在第２章ＧＰＳ信號(hào)中對(duì)于詳述了Ｃ／Ａ碼的產(chǎn)生原理，對(duì)于Ｃ／Ａ碼的Ｇ１碼， 在軟件編程中，就是通過(guò)將十級(jí)反饋寄存器的第３級(jí)和第１０級(jí)模２反饋到第一 級(jí)，為減少硬件電路，十級(jí)反饋移位寄存器在時(shí)鐘脈沖的作用下向右移位即可 通過(guò)數(shù)組的１０２３次循環(huán)移位來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了編程方便，在Ｃ／Ａ碼產(chǎn)生模塊的模２ 加運(yùn)算也可用乘法運(yùn)算來(lái)表示，但各級(jí)狀態(tài)需重新編碼表示，即（１＋１＝０，１＋０＝１， ０＋０＝０對(duì)應(yīng)．１≯１＝１，．１?１＝．１，１?１＝１），故可用．１表示１，ｌ表示０，模２運(yùn)算用乘法 取代。圖４－４為在ＣＣＳ環(huán)境下產(chǎn)生的本地載波： 圖４＿４本地產(chǎn)生載波 由于ＴＭＳ３２０Ｃ６４１６ＤＳＰ芯片是高速定點(diǎn)芯片，通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)產(chǎn)生如上的 正余弦函數(shù)會(huì)影響整體程序性能和運(yùn)算，本文采用的手段是將浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn) 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 運(yùn)算，并減少庫(kù)函數(shù)的調(diào)用，在后面章節(jié)將予以介紹如何產(chǎn)生正余弦的函數(shù)。ＦＦＴ是離散傅立葉變換（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ 快速算法， 于實(shí)際 變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)【３４】。 Ｃ６４ｘＤＳＰＬＩＢ提供了八種ＦＦＴ的函數(shù)都是基于定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算，在調(diào)用函數(shù) 時(shí)，需將浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)數(shù)且滿(mǎn)足調(diào)用函數(shù)的精度要求，一般使用Ｑ．ｆｏｒｍａｔ 的格式表示，Ｑ越大表示數(shù)值范圍越小而精度越高；Ｑ越小表示數(shù)值范圍越大 而精度就越低。函數(shù)ｖｏｉｄ ＤＳＰ＿ｆｆｔ３２ｘ３２（ｃｏｎｓｔ ｉｎｔ簟 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ｒｅｓｔｒｉｃｔ ｗ，ｉｎｔ ｆｉＸ，．ｉｎｔ｝ｒｅｓｔｒｉｃｔ ｘ，ｉｎｔ｝ｒｅｓｔｒｉｃｔ ｙ）蝶形因子Ｗ、輸入和輸出數(shù)據(jù)格式 為３２－ｂ“， 缸型數(shù)據(jù)，ｎｘ為１６—３２７６８之間且必須為２的冪的形式，其中蝶形 因子Ｗ，輸入Ｘ，輸出Ｙ實(shí)部和虛部應(yīng)成對(duì)出現(xiàn)【３６】