第 22 卷增刊 1 2010 年 2 月
系 统 仿 真 学 报? Journal of System Simulation
Vol. 22 Suppl. 1 Feb., 2010
实时 GPS 中频信号模拟器硬件开发及验证
姜 锐，王可东，刘丽丽，王海涌
（北京航空航天大学 宇航学院，北京 100191）
摘 要：为满足对 GPS 软件接收机和深组合导航研究的需要，开展了基于 FPGA 的实时 GPS 中频 数字信号模拟器的研制。通过对 GPS 中频信号模拟器系统架构的分析，提出由计算机完成信号处 理、FPGA 完成数字调制、以太网完成调制信号输出的系统实现方案。使用 SignalTap II 和 Matlab 对系统的关键环节进行了测试和分析。GPS 软件接收机对系统的测试结果表明，GPS 信号模拟器 工作稳定，满足 GPS 软件接收机测试的需要。 关键词：GPS；信号模拟器；FPGA；数字调制 中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2010) S1-0055-04
Hardware Development and Verification for Real-Time GPS IF Signal Simulator
JIANG Rui, WANG Ke-dong, LIU Li-li, WANG Hai-yong
(School of Astronautics, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China)
Abstract: For research on GPS software receiver and ultra-tightly-coupled GPS/INS, the development and verification for real-time GPS IF-digital-signal simulator based on FPGA was done. Firstly, the GPS IF-signal simulator structure was designed. Then, an implementation of the structure was realized. In the implementation, digital signal was processed in personal computer, and digital modulation was completed in FPGA, and the modulated signal was output by Ethernet interface. The performance of some key modules of the implementation was tested and verified by SignalTap II and Matlab. The acquisition and tracking results of GPS software receiver show that the GPS signal simulator implementation works well, which meets the requirements for the test of GPS software receiver. Key words: GPS; signal simulator; FPGA; digital modulation
引
言1
GPS 接收机的性能测试和评估，需要研制 GPS 信号模
应用日益广泛，FPGA 的高性能和可重复配置性越来越受到 硬件工程师的青睐。本文提出的基于 FPGA 的 GPS IF 数字 信号模拟器结构主要包括：主控机、调制控制器、信号调制 器和输出控制器四部分。系统的总体结构如图 1 所示。
FLASH
拟器。 GPS 信号模拟器为 GPS 接收机的设计提供参考信号， 是 GPS 接收机的研发测试环节不可或缺的工具。国外在该 领域研究起步早，发展快，成熟产品种类多[1-2]；国内起步 相对较晚，产品种类比较单一 。商业产品价格昂贵，不适 合实验室 GPS 接收机研发使用。自行研制涉及到数字调制 和射频电路设计等方面，各部分实现难度都很大[4-6]，在没 有自制接收机的条件下， 信号模拟器发生的信号正确性很难 而研制 GPS 软件接收机的难度远低于自制硬 得到验证[7-10]， 件接收机。因此本文提出了 GPS 中频数字信号模拟器的实 现方案，使用 GPS 软件接收机完成系统的验证，此后再考 虑射频部分的实现问题，使系统的设计过程更加合理，验证 更易实现。
[3]
EPCS FPGA 数字调制
Nios II 以太网 接口
主控 机
USB 接口
DSP
GPS软件 接收机
DSP处理部分 主控软件 调制控制器
FPGA处理部分 信号调制器 输出控制器
图 1 GPS IF 信号模拟器系统结构框图
根据用户设定的 GPS 接收机工作环境，主控软件计算 出 GPS 信号的相关参数（如载波多普勒频移、接收机可见 星 ID、传输延时等） ，进而完成对信号调制器控制参数的计 算，然后通过 USB 接口，将相关参数写入 USB 接口芯片的 缓冲区；调制控制器在收到信号调制器参数更新中断以后， 读出 USB 缓冲区的数据，通过 EMIF 接口按既定时序写入 各个调制通道的控制寄存器中； 信号调制器在控制参数的控 制下， 完成对导航电文的扩频调制、 载波调制和信号的合成， 再对合成信号进行采样量化，通过 Nios II 软核控制下的以 太网输出到 GPS 软件接收机， GPS 软件接收机完成捕获、 由 跟踪、数据同步和解算。
1
系统总体设计
随着 FPGA 技术的飞速发展，FPGA 在信号处理领域的
收稿日期：2009-06-21 修回日期：2009-08-30 基金项目：高等学校博士学科点专项基金（20070006006） 作者简介：姜锐(1987-), 男，辽宁抚顺, 满, 工学学士, 研究方向为导航 制导与控制；王可东(1975-), 男, 安徽庐江, 副教授, 工学博士, 研究方 向为导航制导与控制；刘丽丽(1987-)，女，山东潍坊，硕士生；王海涌 (1969-)，男，河北唐山，讲师，工学博士，研究方向为导航制导与控制。
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系统硬件设计
调制控制器主要完成对信号调制器参数的即时更新， 是
然后 C/A 码序列与导航电文进行扩频调制；载波 NCO 在载 波频率和载波相位控制字的控制下， 产生特定频率和相位的 载波，与扩频码进行 BPSK 调制，在多通道的调制信号进行 合成后，采样量化成 2 bit 调制数据通过以太网输出。
2.1 调制控制器的设计
主控软件和信号调制器沟通的桥梁。在 GPS 模拟器设计中， GPS 信号调制参数每 1 ms 更新一次，更新数据量大，速度 高，对调制控制器处理性能有很高的要求。设计中选用的 Texas Instrument 公司的 TMS320C6713 芯片除具备哈佛架构 以外，还具备较高的浮点运算能力和运算速度，性价比高， 满 足 系 统 设 计 和 今 后 升 级 的需 要 。 USB 接 口 芯 片 选 用 Cypress 公司的 CY7C68001 芯片， 可实现全速、 高速的 USB 接口通信
[11]
2.3 输出控制器的设计
输出控制器将合成的调制信号进行采样量化， 量化后的 2 bit 调制数据经过数据缓冲器的速率调整和缓冲以后，由 Nios II 软核读出，根据以太网协议组帧，在 Nios II 软核的 控制下，由以太网输出到计算机，通过计算机上的 GPS 软 件接收机进行捕获、跟踪、数据同步和解算。输出控制器的 设计框图如图 3 所示。
， 满足计算机与调制系统大量数据实时交互的需
要，虽然 USB 接口速度远不如 PCI 接口，但 USB 更加灵活 方便，且 USB 3.0 已经推出，支持 5.0Gbit/s 的速度，USB 接口具有很大的升级空间。 通过 EMIF （外存储器扩展接口） 可实现 DSP 与 FPGA 的无缝连接，同时为了便于程序的自 动加载，对 DSP 外扩了 FLASH 存储器。
2.2 信号调制器的设计
信号调制器主要完成 GPS 信号的数字调制，其主要由 EMIF 接口同步逻辑、控制寄存器组、码 NCO、C/A 码发生 器、载波 NCO、BPSK 调制器和 PLL 时基电路等组成。信 号调制器的设计如图 2 所示。信号调制器和输出控制器在 Altera 公司的 Cyclone III 系列的 EP3C55F484 芯片上完成。 相比于 Xlinix 公司， Altera 公司在软核设计方面更加突出[12]， 此外，在低端应用当中，Cyclone 系列更加广泛。
导航电文 寄存器 EMIF总线 码NCO
图 3 输出控制器设计框图
3
测试及结果分析
GPS 信号模拟器设计要保证四个关键环节： C/A 码频率
正确、C/A 码序列正确、C/A 码相位连续、载波相位连续。 在此基础上，才能保证调制过程的正确性。因此，在系统的 实时测试阶段，要重点对以上四个方面进行测试。
3.1 C/A 码序列的测试
C/A 码测试包括 C/A 码频率的正确性、 C/A 码序列的正 确性和 C/A 码相位的连续性三个方面。这一测试过程可以
C/A码 发生器
通过不同工具多角度进行。在 FPGA 设计阶段，可以通过 RTL 和 Gate Level 级仿真验证其功能和时序的正确性； 在系 统测试时，可以通过 SignalTap II 配合 Matlab 进行验证。
IF信号 采样量 化输出
载波NCO
测试条件：在 20MHz 采样频率下，模拟器设定 25 号卫 星工作，使用 Matlab 运行 SignalTap II 捕获 128K 的 C/A 码 数据，利用 Matlab 对 C/A 码数据进行分析。 图 4 给出了 25 号卫星的功率谱密度。
-20 Periodogram Power Spectral Density Estimate
导航电文 寄存器 EMIF总线 码NCO
Power/frequency (dB/Hz)
C/A码 发生器
-40 -60 -80 -100 -120 -140 -160 0 2 4 6 Frequency/MHz 8 10
载波NCO DSP FPGA
图 2 信号调制器设计框图
通过 EMIF 总线，DSP 将每 1 ms 更新的控制字写入各 调制通道的寄存器中，码 NCO 在码速率和码元相位控制字 的控制下，产生特定码速率和码元相位的时钟，驱动 C/A 码产生器产生以特定码元和码元相位为起始的 C/A 码序列， ? 56 ?
图 4 25 号卫星功率谱密度
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使用相干积分法对 1ms 的 C/A 码数据 （20000 个采样点） 进行捕获，以确定卫星的 ID。捕获结果如图 5 所示。
2 1.8 1.6 1.4 Peak 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 5 10 15 20 Satllite ID 25 30 35 ×104 ID Confimation
从图 7 可以看出，在控制字装载（a_load 信号高电平有 效）以后，载波相位保持连续。
3.3 系统测试
系统测试首先对调制数据进行时频域分析，在此基础 上，通过 GPS 软件接收机对 GPS IF 数字信号模拟器的调制 数据进行捕获、跟踪、数据同步和解算。 测 试 条 件 ： 输 入 轨 迹 点 坐 标 为 ： 112.45532°E ， 47.71221°N，中频信号频率为 1.405 MHz，测试时间为格林 尼治时间 2009 年 6 月 2 日 11: 23: 00~11: 25: 00。 对 GPS IF 调制信号进行重建，使用 Matlab 进行时频域 分析，结果如图 8、图 9 所示。
GPS IF Signal in theTime Domain 3 2.5 2 Amplitude 1.5 1 0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Samples 图 8 GPS IF 调制信号时域图
图 5 卫星 ID 确定结果
对 128K C/A 码采样数据使用相干积分进行捕获，确定 C/A 码的起始位置，结果如图 6 所示。
×10 2 1.8 1.6 1.4 1.2 Peak 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 Samples 12 ×104 Amplitude
4
C/A Start Position
0.045 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.05 0 1 1.5 2 Frequency(Hz) 图 9 GPS IF 调制信号频域图 0.5 2.5 ×104
图 6 C/A 码起始位置
结果分析：从图 4 可以看出，C/A 码功率谱由主波瓣和 若干旁瓣组成，主瓣频谱宽度约 2.046MHz。这说明 C/A 码的 频率正确， 也就是 C/A 码产生器的驱动时钟——码 NCO 正确； 从图 5 可以看出，25 号卫星有最大的相关积分值，这说明 分析的数据为 25 号卫星的 C/A 码数据，与测试条件设定相 同，因此 C/A 码产生逻辑正确；从图 6 可以看出，6ms 以内 C/A 码的起始位置没有变化，这说明 C/A 码相位连续。
3.2 载波相位连续性的测试
由于每 1 ms 更新一次控制字，所以载波相位的跳变只 可能发生在控制字装载之后的很短时间（4 个系统周期）之 内，使用 SignalTap II 对连续的 32 次装载进行观察，验证载 波相位的连续性。测试结果局部如图 7 所示。
GPS IF 数字信号模拟器工作情况如图 10 所示。 GPS 软件接收机捕获、 跟踪、 数据同步和解算的结果如 图 11 所示。 结果分析： 从图 8 可以看出， GPS IF 调制信号数值在[0,3] 区间上成均匀分布，这说明量化门限选择合理；从图 9 可以 看出， 1.4MHz 附近存在多个正弦信号， 在 与设定 1.405MHz 中频接近，由于多普勒频移的存在，所以信号相对于 1.405MHz 有所偏离，且不同卫星偏移量不同；从图 11 可以 看出，GPS 软件接收机可以对 GPS IF 数字调制信号进行成 功的捕获和跟踪， 并完成数据同步和解算， 从而验证了 GPS IF 数字信号模拟器功能的正确性。 ? 57 ?
图 7 载波相位连续性测试
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性的 C/A 码序列和载波相位连续性问题作了探讨，并通过 SignalTap II 完成了数据捕获，使用 Matlab 对捕获数据进行 了分析，根据分析结果进行了关键环节的调试，从而保证了 系统的正确性。最终通过 GPS 软件接收机对 GPS 中频数字 调制信号进行解调和解算。通过测试，取得了良好的效果， 主要表现在：USB 数据输入接口方案简单易行，使用方便， 数字化输出可以满足 GPS 软件接收机测试的需要，系统实 现充分保证了射频电路实现前模拟器功能的正确性， GPS 为 软件接收机和深组合导航研究奠定了坚实基础。
参考文献:
[1] 图 10 GPS IF 数字信号模拟器工作界面 [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] 图 11 GPS 软件接收机解调、解算工作界面 [10] [11] Spirent Corporation. Positioning and Navigation [EB/OL]. 2009-6-2. https://www.doczj.com/doc/9810661475.html,/Positioning-and-Navigation/A-GPS.aspx. Center for Remote Sensing, inc. GPS and Navigation Products [EB/OL]. 2009-6-2.https://www.doczj.com/doc/9810661475.html,/products/GPSAndNavigationProducts.htm. 东 方 联 星 公 司 . 东 方 联 星 公 司 简 介 [EB/OL]. 2009-6-2. https://www.doczj.com/doc/9810661475.html,/project.html. 赵军祥, 张其善, 常青, 李建辉. 高动态GPS卫星信号模拟器关键 技术分析及应用[J]. 电讯技术, 2003, 4: 49-54. 常青, 张伯川, 陈向东, 张其善. 高动态GPS信号模拟器信号强度 问题研究[J]. 电子与信息学报, 2007, 29(4): 998-1001. 刘万全, 鲍庆龙. GPS信号发生器的一种实现方案[J]. 现代电子技 术, 2007, 5: 58-60. 陆娟, 常青, 张其善, 张军. 十二通道 GPS 信号发生器方案研制 [J]. 北京航空航天大学学报, 2003, 29(4): 331-334. 陆娟, 常青, 张其善, 张军. 十二通道 GPS 信号发生器的硬件设 计[J]. 遥测遥控, 2003, 24(3): 15-18. 吕志成. 高动态卫星导航信号模拟器软件研究[D]. 长沙: 国防科 技大学, 2006. 罗晓莉. 单通道 GPS 模拟信号源设计技术研究[D]. 北京: 中国工 程物理研究院, 2005. Cypress Semiconductor Corporation. CY7C68001 EZ-USB SX2? High-Speed USB Interface Device [EB/OL]. 2009-6-2. www.cypress. com. [12] 王 莹 . 软 核 加 盟 32 位 IP 市 场 Altera 发 布 32 位 Nios II [EB/OL]. 2004-10-18. https://www.doczj.com/doc/9810661475.html,/article/3507.htm
4
结论
本文针对 GPS 软件接收机研制过程中的测试问题，提
出了一种基于 FPGA 的实时 GPS 中频数字信号模拟器的实 现方案，系统采用“计算机+FPGA 调制板卡”的形式实现， 以太网口作为调制数据输出接口。 重点对决定系统功能正确
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