【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 功率放大、接收預(yù)防大 和 RF 信號(hào)與 IF 信號(hào)之間的變換。它的設(shè)計(jì) 目的是 使 下一步 中 的 A/D 發(fā)揮最優(yōu)性能。一個(gè)窄帶超外差式接收機(jī)的射頻部分與寬帶軟件無(wú)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(wú)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(qiáng)調(diào)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(fù)時(shí)降低失真。除此之外 ， 還要求 有較 大的線性動(dòng)態(tài)范圍 ， 以減少互調(diào)失真 ， 使接收的弱信號(hào)仍能在強(qiáng)的干擾信號(hào)中檢測(cè)出來(lái)。它在移動(dòng)通信中有遠(yuǎn)近效應(yīng)時(shí)尤為重要。隨頻率和帶寬的增加 ， 采樣速率和動(dòng)態(tài)范圍也將增大。 此外，信噪比、無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍、噪聲功率也是選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)的重要技術(shù)指標(biāo)。信噪比（ SNR）是 度量一個(gè)信號(hào) 的傳輸質(zhì)量 ，與轉(zhuǎn)換器的分 辨率直接相關(guān) 。 無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍 （ SFDR）， 是度量變換器中的非線性誤差源 ， 用來(lái)評(píng)估強(qiáng)信號(hào)下 A/D 變換器同步檢測(cè)弱信號(hào)的能力 。噪聲功率比（ CNR），定義為陷波濾波器帶內(nèi)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(shù)字信號(hào)處理模塊 在數(shù)字信號(hào)處理模塊的實(shí)現(xiàn) 方式 上 ，主流 趨勢(shì)為 DSP（ Digital Signal Processor， 數(shù)字信號(hào)處理器 ）、 FPGA（ Field Programmable Gate Array， 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 ）和 ASIC（ Application Specific Integrated Circuits， 專用集成電路 ） ?？梢院?jiǎn)單理解為 ,DSP 以軟件方式 ,FPGA 和 ASIC 以硬件方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)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(wú)線電的需要。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 12 基于 DSP 的軟件無(wú)線電系統(tǒng)通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)了用戶參數(shù)和波形的改變，他的特點(diǎn)是通用性、靈活性好，開發(fā)容易?；?FPGA 的系統(tǒng)由于 FPGA 具有在線編程，動(dòng)態(tài)改變器件邏輯功能的特性，實(shí)現(xiàn)物理器件的分時(shí)復(fù)用，因而有著比 DSP 更好的靈活性和更低的成本。 ASIC 則是實(shí)現(xiàn)了純粹的數(shù)字無(wú)線電系統(tǒng)。 為了更好的體現(xiàn)軟件無(wú)線電通用 、 靈活 、 開放的特點(diǎn)，基于通用處理器的軟件無(wú)線電系統(tǒng)也隨之產(chǎn)生，這正是源于通用 CPU 的設(shè)計(jì)在可編程型、通用行、開放性上的巨大優(yōu)勢(shì)，是它成為了最接近理想軟件無(wú)線電的平臺(tái)，這也是軟件無(wú)線電在實(shí)現(xiàn)方式上的發(fā)展趨勢(shì)。 四、 算法軟件實(shí)現(xiàn) 軟件無(wú)線電的本質(zhì)是用軟件定義無(wú)線通信。 通過(guò)軟件，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從信號(hào)解調(diào)、濾波、捕獲跟蹤等一系列原先要通過(guò)復(fù)雜硬件才能完成的基本軟件無(wú)線點(diǎn)功能。次外，還應(yīng)針對(duì)不同的軟件無(wú)線點(diǎn)的設(shè)計(jì)需求，在局部進(jìn)行軟件優(yōu)化處理。軟件算法 的 實(shí)現(xiàn) 直接 決定了系統(tǒng)的功能 與 性能。 第三節(jié) GPS 軟件接收機(jī)的設(shè)計(jì)原理 GPS 信號(hào)接收 機(jī)是 GPS 全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的用戶設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的終端儀器。 傳 統(tǒng)的 GPS 接收機(jī)的 雖然種類繁多，但在結(jié)構(gòu)上通?？煞譃樯漕l前端（ RF Frontend） 、 信號(hào)處理單元（ Signal Processing） 和導(dǎo)航處理（ Navigation Processing）三 部分。 在前端中，接收機(jī)通過(guò)天線耦合接受 GPS 信號(hào)，經(jīng)過(guò)預(yù)放大（ Preamp）、下變頻（ Downconversion）和濾波（ Filter）后生成中頻信號(hào)（ IF），對(duì)后通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（ Digital IF）傳輸 到信號(hào)處理單元中。 信號(hào)處理單元 將已經(jīng)接受到的中頻 數(shù)字 信號(hào)進(jìn)行捕獲跟蹤處理，并對(duì)導(dǎo)航信息解調(diào) ，以 得到 定位 偽距（ Pseudorange）、載波相位及星歷數(shù)據(jù)（ Ephemeris）。 最后在導(dǎo)航處理單元中，計(jì)算出用戶的經(jīng)緯度坐標(biāo)、行進(jìn)速度等信息，實(shí)現(xiàn)用戶的導(dǎo)航定位。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 13 預(yù) 放 大 下 變 頻 濾 波A / D射 頻 前 端信 號(hào) 捕 獲 信 號(hào) 跟 蹤導(dǎo) 航 信 息解 調(diào)信 號(hào) 處 理 單 元導(dǎo) 航處 理單 元D i g i t a l I F圖 2 . 3 . 1 G P S 接 受 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 圖 GPS 軟件接收機(jī)是在軟件無(wú)線電（ SDR）思想知道下實(shí)現(xiàn)的。 它繼承了軟件無(wú)線點(diǎn)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，即使 A/D 轉(zhuǎn)換器盡可能的靠近天線，其它部分實(shí)現(xiàn)軟件化，所以 GPS 軟件接收機(jī)與傳統(tǒng)接受機(jī)相比，保留了射 頻前端，由 軟件構(gòu)架對(duì)中頻數(shù)字信號(hào) 進(jìn)行捕獲和跟蹤。一旦完成了跟蹤 ， 通過(guò)子幀同步和奇偶校驗(yàn)，就可以將輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成導(dǎo)航數(shù)據(jù)。從子幀中可以得到星歷數(shù)據(jù)。根據(jù)星歷數(shù)據(jù)可以確定當(dāng)前衛(wèi)星的位置。接受機(jī)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(jì)算出用戶的位置 ，并將其轉(zhuǎn)化為所需的坐標(biāo)系統(tǒng)中 [6]。 GPS 軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)如下： 捕 獲內(nèi) 部 時(shí) 鐘奇 偶 校 驗(yàn)子 幀 同 步導(dǎo) 航 處 理測(cè) 量 推 倒跟 蹤 環(huán)中 頻數(shù) 字信 號(hào)圖 2 . 3 . 2 G P S 軟 件 接 收 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 14 第四節(jié) 軟件接收機(jī)中頻數(shù)據(jù)處理的核心算法 一、 C/A 碼信號(hào)捕獲 為了跟蹤 GPS 信號(hào)并進(jìn)行信息解碼，就必須先用捕獲程序來(lái)檢測(cè)信號(hào)的存在。一旦檢測(cè)到信號(hào)，必須測(cè)出兩個(gè)重要參數(shù)，一個(gè)是 C/A 碼 信號(hào)的延時(shí) ，另一個(gè)是載波信號(hào)的 載波頻率 。采集的數(shù)據(jù)通常包括幾個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)，每個(gè)信號(hào)的C/A 碼不同，開始時(shí)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(gè)信息對(duì)頻譜接擴(kuò)，輸出連續(xù)波信號(hào)，就可以得到 它的載波頻率。 C/A 碼信號(hào)延時(shí)和載波頻率兩個(gè)參數(shù)將傳遞到跟蹤程序中。 圖 2 . 4 . 1 G P S 信 號(hào) 捕 獲 相關(guān)器 I(同相 )、 Q(正交 )通道第 k次相關(guān)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(hào)幅度， )(kD 為導(dǎo)航電文 , ()k? 為碼相位估計(jì)偏差， ()dwk? 為多普勒頻移估計(jì)偏差， )]([ kR? 為 復(fù)制 碼自相關(guān)函數(shù)， N 為積分碼片長(zhǎng)度， k? 為載波相位， ()Ink、 ()Qnk為噪聲項(xiàng)。 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(dāng)本地產(chǎn)生的載波 頻率和 復(fù)制 碼相位與檢測(cè)信號(hào)完全匹配時(shí)，相關(guān)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(guān)峰值，以判定信號(hào)捕獲與否，需要對(duì)碼相位和 多普勒 頻率進(jìn)行二維搜索，若碼相位搜索步長(zhǎng)為 ? 個(gè)碼中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 15 片，多普勒頻率搜索步長(zhǎng)為 f? ，則一個(gè)碼相位單元與一個(gè)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(dāng)接收到信號(hào)頻率和相位落入該搜索單元時(shí)， 2()Sk 取得極大值。將 2()Sk 與識(shí)別門限進(jìn)行比較，根據(jù)判定算法進(jìn)行判定是否成功捕獲到信號(hào)。 二、 C/A 碼信號(hào)跟蹤 跟蹤信號(hào)的 基本方法是根據(jù)輸入信號(hào)構(gòu)造一個(gè)窄帶濾波器，當(dāng)輸入信號(hào)的頻率隨時(shí)間而變化時(shí)，濾波器的中心頻率必須跟隨信號(hào)變化。實(shí)際的跟蹤過(guò)程中，窄帶濾波器的中心頻率是固定的，但本振信號(hào)要隨輸入信號(hào)的頻率變化而變化，通過(guò)比相器對(duì)輸 入信號(hào)和本振信號(hào)的相位對(duì)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(duì)捕獲的信號(hào)進(jìn)行載波和碼相位的精確跟蹤，以確保本地產(chǎn)生復(fù)制的載波和碼信號(hào)相位與輸入信號(hào)嚴(yán)格同步，為數(shù)據(jù)解調(diào)做進(jìn)一步準(zhǔn)備。 為了跟蹤 GPS 信號(hào)，必須去掉 C/A 碼信息，因此跟蹤過(guò)程需要兩個(gè)環(huán)路來(lái)完成，一個(gè)跟蹤 C/A 碼；另一個(gè)環(huán)跟蹤載波頻率， 主要由各類鎖相或鎖頻環(huán) 來(lái)完成 [7]。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(shí)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(gè)輸出： 超前碼、延時(shí)碼和即時(shí)碼。即時(shí)碼用于將輸入的數(shù) 字信號(hào)中的 C/A 剝離掉，輸出是含有導(dǎo)航數(shù)據(jù)引起相位跳變的 CW 信號(hào)，并將其作為載波環(huán)的輸入。載波環(huán)的輸出信號(hào)是頻率為輸入信號(hào)的載頻 CW 信號(hào)，這個(gè)信號(hào) 可用于剝離 輸入信號(hào) 中的 載波 信號(hào)，剝離后是一個(gè)只包含 C/A 碼而沒(méi)有載波的信號(hào)，這正好是碼環(huán)的輸入。 第五節(jié) 本章小結(jié) 自從軟件無(wú)線電這一概念被提出之后，就得到了全世界無(wú)線電領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。 由于軟件無(wú)線電所具有的靈活性、開放性等特點(diǎn)，使其在無(wú)線通信中獲得了廣泛應(yīng)用。利用軟件無(wú)線電概念的設(shè)計(jì) GPS 軟件接收機(jī)，繼承了軟件無(wú)線電系統(tǒng) 的 優(yōu)點(diǎn) ， 由 軟件處理 從 射頻前端產(chǎn)生的中頻數(shù)字信號(hào)，實(shí) 現(xiàn) GPS 信號(hào)的捕獲、跟蹤及導(dǎo)航數(shù)據(jù)解調(diào)，完成了對(duì)當(dāng)前位置偽距信息的解算， 并通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航。 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(shù)據(jù) NMEA0183 碼的介紹 NMEA 協(xié)議是為了在不同類型的 GPS 導(dǎo)航設(shè)備中建立統(tǒng)一的 BTCM（海事無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)，由美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)（ NMEAThe National Marine Electronics Association）制定的 GPS 串口通訊協(xié)議。 GPS 接收機(jī)將用戶位置、速度，及當(dāng)前的相關(guān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)以 NMEA0183 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范通過(guò) 串口傳送到 PC機(jī)， PDA 等終端設(shè)備。 NMEA0183 協(xié)議解決了 不同品牌、不同型號(hào)的 GPS 接收機(jī)之間實(shí)現(xiàn)任意連接的接口問(wèn)題 。目前大多數(shù)常見的 GPS 接收機(jī)、 GPS 數(shù)據(jù)處理分析軟件、導(dǎo)航系統(tǒng)大多支持或至少兼容 NMEA0183 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。 NMEA0183 協(xié)議對(duì)電器和數(shù)據(jù)規(guī)格都做了相應(yīng)的規(guī)定。在物理層，它要求通訊是建立在串口的基礎(chǔ)上的；在數(shù)據(jù)鏈路層，它規(guī)定了傳輸波特率為 4800，數(shù)據(jù)位為 8bit，無(wú)奇偶校驗(yàn)及握手信號(hào)，停止位為 1bit；在應(yīng)用層， NMEA0183碼是 ASCII 編碼的串行數(shù)據(jù)， 由 幀頭、幀尾和幀 內(nèi)數(shù)據(jù)組成。它規(guī)定了每條信息幀都以“ $”作為起始符號(hào)，接下來(lái)的 5 個(gè)字符決定了信息幀的類型構(gòu)成幀頭，其后的各個(gè)數(shù)據(jù)以 “，”作為分隔符構(gòu)成幀內(nèi)數(shù)據(jù)，信息幀的最后一個(gè)數(shù)據(jù)緊接著“ *”加上兩位的 16 進(jìn)制的校驗(yàn)和（ Checksum）構(gòu)成幀尾，并以 CRLF結(jié)束此信息幀 （見 下圖 ） 。 根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的 GPS 應(yīng)用軟件，下面著重介紹軟件所涉及到的相關(guān)數(shù)據(jù)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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)畢業(yè)論文 18 位置 內(nèi)容 描述 1 UTC 時(shí)間 (時(shí)分秒 ) 2 緯度 3 緯度半球 N（北緯）或 S（南緯） 4 經(jīng)度 5 經(jīng)度半球 E（東經(jīng)）或 W（西經(jīng)） 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(shù) 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(duì)大地水準(zhǔn)面的高度 米 M 單位 11 差分時(shí)間 從最近一次接收到差分信號(hào)開始的秒數(shù)，如果不是差分定位將為空 12 差分站 ID 號(hào) 0000 ~ 1023 *hh 校驗(yàn)和(Checksum) CRLF 信息傳輸結(jié)束 2) GSA —— 當(dāng)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(nèi)容 描述 1 模式 M=手動(dòng)， A=自動(dòng) 2 定位類型 1=沒(méi)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