【文章內容簡介】 功率放大、接收預防大 和 RF 信號與 IF 信號之間的變換。它的設計 目的是 使 下一步 中 的 A/D 發(fā)揮最優(yōu)性能。一個窄帶超外差式接收機的射頻部分與寬帶軟件無線電的射頻部分相比有相似之處 ， 但并 不相同。寬帶的軟件無線電的射頻部分要求 ： 在濾波器的滾降特性的銳利程度受到損害的情況下 ， 強調仍然能提供線性的功率放大。 二、 中頻 AD/DA A/D 變換器要求有較高的采樣 速率和 分辨率 ， 以便在恢復時降低失真。除此之外 ， 還要求 有較 大的線性動態(tài)范圍 ， 以減少互調失真 ， 使接收的弱信號仍能在強的干擾信號中檢測出來。它在移動通信中有遠近效應時尤為重要。隨頻率和帶寬的增加 ， 采樣速率和動態(tài)范圍也將增大。 此外，信噪比、無寄生動態(tài)范圍、噪聲功率也是選擇 A/D 轉換器時的重要技術指標。信噪比（ SNR）是 度量一個信號 的傳輸質量 ，與轉換器的分 辨率直接相關 。 無寄生動態(tài)范圍 （ SFDR）， 是度量變換器中的非線性誤差源 ， 用來評估強信號下 A/D 變換器同步檢測弱信號的能力 。噪聲功率比（ CNR），定義為陷波濾波器帶內噪聲功率譜密度之比，可提供與如何限制信道間互干擾的信息。 三、 數字信號處理模塊 在數字信號處理模塊的實現 方式 上 ，主流 趨勢為 DSP（ Digital Signal Processor， 數字信號處理器 ）、 FPGA（ Field Programmable Gate Array， 現場可編程門陣列 ）和 ASIC（ Application Specific Integrated Circuits， 專用集成電路 ） 。可以簡單理解為 ,DSP 以軟件方式 ,FPGA 和 ASIC 以硬件方式實現數字信號處理算法。由于 DSP 和 FPGA 均具備可編程能力 ,它們比較適合軟件無線電的需要。 中國科學技術大學畢業(yè)論文 12 基于 DSP 的軟件無線電系統通過軟件編程實現了用戶參數和波形的改變，他的特點是通用性、靈活性好，開發(fā)容易?；?FPGA 的系統由于 FPGA 具有在線編程，動態(tài)改變器件邏輯功能的特性，實現物理器件的分時復用，因而有著比 DSP 更好的靈活性和更低的成本。 ASIC 則是實現了純粹的數字無線電系統。 為了更好的體現軟件無線電通用 、 靈活 、 開放的特點，基于通用處理器的軟件無線電系統也隨之產生，這正是源于通用 CPU 的設計在可編程型、通用行、開放性上的巨大優(yōu)勢，是它成為了最接近理想軟件無線電的平臺，這也是軟件無線電在實現方式上的發(fā)展趨勢。 四、 算法軟件實現 軟件無線電的本質是用軟件定義無線通信。 通過軟件，系統實現了從信號解調、濾波、捕獲跟蹤等一系列原先要通過復雜硬件才能完成的基本軟件無線點功能。次外，還應針對不同的軟件無線點的設計需求，在局部進行軟件優(yōu)化處理。軟件算法 的 實現 直接 決定了系統的功能 與 性能。 第三節(jié) GPS 軟件接收機的設計原理 GPS 信號接收 機是 GPS 全球導航定位系統的用戶設備，是實現導航定位的終端儀器。 傳 統的 GPS 接收機的 雖然種類繁多，但在結構上通?？煞譃樯漕l前端（ RF Frontend） 、 信號處理單元（ Signal Processing） 和導航處理（ Navigation Processing）三 部分。 在前端中，接收機通過天線耦合接受 GPS 信號，經過預放大（ Preamp）、下變頻（ Downconversion）和濾波（ Filter）后生成中頻信號（ IF），對后通過A/D 轉換器采樣，將模擬信號轉換為數字信號（ Digital IF）傳輸 到信號處理單元中。 信號處理單元 將已經接受到的中頻 數字 信號進行捕獲跟蹤處理，并對導航信息解調 ，以 得到 定位 偽距（ Pseudorange）、載波相位及星歷數據（ Ephemeris）。 最后在導航處理單元中，計算出用戶的經緯度坐標、行進速度等信息，實現用戶的導航定位。 中國科學技術大學畢業(yè)論文 13 預 放 大 下 變 頻 濾 波A / D射 頻 前 端信 號 捕 獲 信 號 跟 蹤導 航 信 息解 調信 號 處 理 單 元導 航處 理單 元D i g i t a l I F圖 2 . 3 . 1 G P S 接 受 機 結 構 圖 GPS 軟件接收機是在軟件無線電（ SDR）思想知道下實現的。 它繼承了軟件無線點的設計特點，即使 A/D 轉換器盡可能的靠近天線，其它部分實現軟件化，所以 GPS 軟件接收機與傳統接受機相比，保留了射 頻前端，由 軟件構架對中頻數字信號 進行捕獲和跟蹤。一旦完成了跟蹤 ， 通過子幀同步和奇偶校驗，就可以將輸出的信號轉換成導航數據。從子幀中可以得到星歷數據。根據星歷數據可以確定當前衛(wèi)星的位置。接受機到衛(wèi)星之間的偽距也可以確定。只要獲得了所有必需的信息， 就可以 計算出用戶的位置 ，并將其轉化為所需的坐標系統中 [6]。 GPS 軟件接收機結構如下： 捕 獲內 部 時 鐘奇 偶 校 驗子 幀 同 步導 航 處 理測 量 推 倒跟 蹤 環(huán)中 頻數 字信 號圖 2 . 3 . 2 G P S 軟 件 接 收 機 結 構 中國科學技術大學畢業(yè)論文 14 第四節(jié) 軟件接收機中頻數據處理的核心算法 一、 C/A 碼信號捕獲 為了跟蹤 GPS 信號并進行信息解碼，就必須先用捕獲程序來檢測信號的存在。一旦檢測到信號，必須測出兩個重要參數，一個是 C/A 碼 信號的延時 ，另一個是載波信號的 載波頻率 。采集的數據通常包括幾個衛(wèi)星的信號，每個信號的C/A 碼不同，開始時間不同，多普勒頻移不同。捕獲程序要找到 C/A 碼相位，并用這個信息對頻譜接擴，輸出連續(xù)波信號，就可以得到 它的載波頻率。 C/A 碼信號延時和載波頻率兩個參數將傳遞到跟蹤程序中。 圖 2 . 4 . 1 G P S 信 號 捕 獲 相關器 I(同相 )、 Q(正交 )通道第 k次相關輸出分別為： 1( ) ( ) [ ( ) ] sin {[ ( ) ] / 2 } c o s ( )2 d k II k A D k R k c w k N n k??? ? ? 1( ) ( ) [ ( ) ] sin {[ ( ) ] / 2 } sin ( )2 d k k A D k R k c w k N n k? ? ? 其中 A 為信號幅度， )(kD 為導航電文 , ()k? 為碼相位估計偏差， ()dwk? 為多普勒頻移估計偏差， )]([ kR? 為 復制 碼自相關函數， N 為積分碼片長度， k? 為載波相位， ()Ink、 ()Qnk為噪聲項。 2 2 2 2 2 2 21( ) ( ) ( ) ( ) [ ( ) ] sin {[ ( ) ] / 2 }4 dS k I k Q k A D k R k c w k N?? ? ? ? 因此當本地產生的載波 頻率和 復制 碼相位與檢測信號完全匹配時，相關器的最終輸出為最大值。 由于碼相位與多普勒頻移的不確定性，為了獲得相關峰值，以判定信號捕獲與否，需要對碼相位和 多普勒 頻率進行二維搜索，若碼相位搜索步長為 ? 個碼中國科學技術大學畢業(yè)論文 15 片，多普勒頻率搜索步長為 f? ，則一個碼相位單元與一個多普勒頻移單元組成的二維搜索單元 如下 。 頻率相位τΔ f 當接收到信號頻率和相位落入該搜索單元時， 2()Sk 取得極大值。將 2()Sk 與識別門限進行比較，根據判定算法進行判定是否成功捕獲到信號。 二、 C/A 碼信號跟蹤 跟蹤信號的 基本方法是根據輸入信號構造一個窄帶濾波器，當輸入信號的頻率隨時間而變化時，濾波器的中心頻率必須跟隨信號變化。實際的跟蹤過程中，窄帶濾波器的中心頻率是固定的，但本振信號要隨輸入信號的頻率變化而變化，通過比相器對輸 入信號和本振信號的相位對比，由于窄帶濾波器的帶寬很窄，與捕獲相比，跟蹤方式有著更高的靈敏度。 跟蹤的主要目的是對捕獲的信號進行載波和碼相位的精確跟蹤，以確保本地產生復制的載波和碼信號相位與輸入信號嚴格同步，為數據解調做進一步準備。 為了跟蹤 GPS 信號，必須去掉 C/A 碼信息，因此跟蹤過程需要兩個環(huán)路來完成，一個跟蹤 C/A 碼；另一個環(huán)跟蹤載波頻率， 主要由各類鎖相或鎖頻環(huán) 來完成 [7]。 中國科學技術大學畢業(yè)論文 16 A / DM AM A開 平 方開 平 方e / d 選 擇振 蕩 器V C O低 通 濾波 器低 通 濾波 器低 通 濾波 器Ξ9 0 176。連續(xù)波C WC / A載波頻率即時超 前滯 后碼 環(huán)載 波 環(huán)反正切輸 出圖 2 . 4 . 2 載 波 和 碼 跟 蹤 環(huán) 路 圖 C/A 碼鎖相環(huán)有 3 個輸出： 超前碼、延時碼和即時碼。即時碼用于將輸入的數 字信號中的 C/A 剝離掉，輸出是含有導航數據引起相位跳變的 CW 信號，并將其作為載波環(huán)的輸入。載波環(huán)的輸出信號是頻率為輸入信號的載頻 CW 信號，這個信號 可用于剝離 輸入信號 中的 載波 信號，剝離后是一個只包含 C/A 碼而沒有載波的信號，這正好是碼環(huán)的輸入。 第五節(jié) 本章小結 自從軟件無線電這一概念被提出之后，就得到了全世界無線電領域的廣泛關注。 由于軟件無線電所具有的靈活性、開放性等特點，使其在無線通信中獲得了廣泛應用。利用軟件無線電概念的設計 GPS 軟件接收機，繼承了軟件無線電系統 的 優(yōu)點 ， 由 軟件處理 從 射頻前端產生的中頻數字信號，實 現 GPS 信號的捕獲、跟蹤及導航數據解調，完成了對當前位置偽距信息的解算， 并通過坐標轉換實現定位導航。 中國科學技術大學畢業(yè)論文 17 第三章 基于 NMEA0183 碼 的分析與研究 第一節(jié) GPS 定位數據 NMEA0183 碼的介紹 NMEA 協議是為了在不同類型的 GPS 導航設備中建立統一的 BTCM（海事無線電技術委員會）標準，由美國國家海洋電子協會（ NMEAThe National Marine Electronics Association）制定的 GPS 串口通訊協議。 GPS 接收機將用戶位置、速度，及當前的相關衛(wèi)星數據以 NMEA0183 協議的標準規(guī)范通過 串口傳送到 PC機， PDA 等終端設備。 NMEA0183 協議解決了 不同品牌、不同型號的 GPS 接收機之間實現任意連接的接口問題 。目前大多數常見的 GPS 接收機、 GPS 數據處理分析軟件、導航系統大多支持或至少兼容 NMEA0183 協議標準。 NMEA0183 協議對電器和數據規(guī)格都做了相應的規(guī)定。在物理層，它要求通訊是建立在串口的基礎上的；在數據鏈路層，它規(guī)定了傳輸波特率為 4800，數據位為 8bit，無奇偶校驗及握手信號，停止位為 1bit；在應用層， NMEA0183碼是 ASCII 編碼的串行數據， 由 幀頭、幀尾和幀 內數據組成。它規(guī)定了每條信息幀都以“ $”作為起始符號，接下來的 5 個字符決定了信息幀的類型構成幀頭，其后的各個數據以 “，”作為分隔符構成幀內數據，信息幀的最后一個數據緊接著“ *”加上兩位的 16 進制的校驗和（ Checksum）構成幀尾，并以 CRLF結束此信息幀 （見 下圖 ） 。 根據本文所設計的 GPS 應用軟件，下面著重介紹軟件所涉及到的相關數據幀格式。 1) GGA —— GPS 定位信息 (Global Positioning System Fixed Data) $GPGGA,1,2,3,4,5,6,7,8,9,M,10,M,11,12*hhCRLF 中國科學技術大學畢業(yè)論文 18 位置 內容 描述 1 UTC 時間 (時分秒 ) 2 緯度 3 緯度半球 N（北緯）或 S（南緯） 4 經度 5 經度半球 E（東經）或 W（西經） 6 GPS 狀態(tài) 0=未定位， 1=非差分定位， 2=差分定位， 6=正在估算 7 解算使用衛(wèi)星數 00 ~ 12（ 0 也將被傳輸） 8 HDOP 水平精度因子 9 海拔高度 米 M 單位 10 地球橢球面相對大地水準面的高度 米 M 單位 11 差分時間 從最近一次接收到差分信號開始的秒數，如果不是差分定位將為空 12 差分站 ID 號 0000 ~ 1023 *hh 校驗和(Checksum) CRLF 信息傳輸結束 2) GSA —— 當前衛(wèi)星信息 (GNSS DOP and Active Satellites) $GPGSA,1,2,3,3,,3,3,3,4,5,6*hhCRLF 位置 內容 描述 1 模式 M=手動， A=自動 2 定位類型 1=沒有定位， 2=2D 定位， 3=3D 定位 3 通道 1上衛(wèi)星 PRN 01 ~ 32 用于解算的衛(wèi)星 PRN 3 通道 2上衛(wèi)星 PRN 01 ~ 32 用于解算的衛(wèi)星 PRN …. …. …. 3 通道 12 上衛(wèi)星PRN 01