基于FPGA和DSP的卫星导航接收机测试平台
卫星导航接收机是卫星导航系统的用户终端，用以给用户提供精确的经度、纬度、高度和速度等信息。现在，卫星导航接收机已经应用于航空，交通管理，石油等各个领域，针对卫星导航接收机的研究也越发深入。
本文介绍了一种以 FPGA和 DSP为主处理器的卫星导航接收机硬件平台。在该平台上不仅可以验证针对现在所有卫星导航系统（GPS，Glonass，伽利略，北斗）的基带信号处理算法和导航解算算法，同时也可以实现完整的单频、双频或者兼容接收机。
1 硬件设计
1.1 硬件平台组成
硬件平台结构框图如本实验室所示；
该平台以两片 FPGA芯片和两片 DSP芯片为主处理器。
经过 AD采样后的信号直接进入FPGA，此后所有对信号的处理均由软件来实现。
如此可以充分利用 FPGA和 DSP的重复烧写及在线调试能力，尽量减少对硬件的依赖程度，从而增加平台的灵活性。
另外，每片 DSP都外接了 Flash和 SDRAM。
由于 Flash掉电数据不会丢失，可以在 Flash内保存程序及数据，功能有如
PC机上的硬盘，
而外接的 SDRAM是 DSP的扩展Ram，当 DSP运行大型程序（如导航解算程序）以致 DSP的内部 Ram不够用时，可以将程序放到外接的 SDRAM内运行。
平台上还有多个串口，可以接显控等设备。
两个 Arinc-429接口可以接惯导等航空设备。
JTAG是在线调试接口。
时钟模块提供系统的工作时钟。
只要连接上针对不同卫星导航系统的射频模块和天线，该平台就可以成为一个完整的接收机。
1.2 芯片介绍
FPGA采用 Altera公司 CycloneII系列中的 EP2C70F672。Altera公司的 CycloneII系列 FPGA是业界成本及功耗最低的 FPGA之一，采用 90nm工艺制造。 EP2C70F672是 CycloneII系列中的最高型号，拥有 7万个逻辑单元，
２０１３年１月
第９卷第１期 系统仿真技术
Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊａｎ．．２０１３
ＶＯ１．９．ＮＯ．１
中图分类号：ＴＰ ３９１．９ 文献标识码：Ｂ
ＧＰＳ Ｐ码接收机本地信号发生器的ＦＰＧＡ实现
曹 进，李荣冰，徐 昭，谢 非
（南京航空航天大学导航研究中心，江苏南京２１００１６）
摘 要：Ｐ码作为ＧＰＳ军用伪码，具有结构复杂、周期长且码速率快的特点，这使得使用Ｐ码的软件接收机不仅定位
精度高，且具有很强的抗干扰和反欺骗能力。能够实现任意卫星的任意时刻Ｐ码的产生，对于实现Ｐ码直接捕获和
跟踪有很重要的意义。对于Ｐ码的产生原理和结构进行了分析，基于ＭＡＴＬＡＢ设计了相应的Ｐ码发生算法并进行
简单的算法仿真。之后针对ＦＰＧＡ硬件平台对Ｐ码发生器进行了相应的模块设计，包含寄存器模块、延时模块、周期
控制模块和寄存器相位模块等。测试实验结果表明Ｐ码发生器可以基本无延迟地生成任意卫星、任意时刻的Ｐ码。
关键词：Ｐ码；长码；ＧＰＳ；ＭＡＴＬＡＢ；Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）
Ｉ ｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｏｃａｌ Ｇ ＰＳ Ｐ Ｃｏｄｅ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
ｉｎ ＧＰＳ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ
ＣＡＯ Ｊｉｎ，ＬＩ Ｒｏｎｇｂｉｎｇ，ＸＵ Ｚｈａｏ，Ｘｉｅｆｅｉ
（Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｕｓｅ ｏｆ ＧＰＳ，Ｐ ｃｏｄｅ ｉｓ ｆａｍｏｕｓ ｆｏｒ ｉｔｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｅ，ｌｏｎｇ ｐｅｒｉｏｄ
ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐ ｃｏｄｅ ｉｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｂｕｔ
基于ＦＰＧＡ技术的ＧＰＳ数据加密系统设计研究
邢红涛，王建功，初 晓
（中国人民解放军６３８９５部队，河南孟州４５４７５０）
摘 要：针对ＧＰＳ测量系统数据传输过程中的安全问题，采用ＦＰＧＡ技术设计了ＧＰＳ数据加密
系统。系统移植ＭＤ５算法到ＮＩＯＳ中对系统口令加密，并设计ＤＥＳ ＩＰ对ＧＰＳ数据加密。实验表明，该
设计可有效防止ＧＰＳ数据被非法窃取，具有安全性强、速度快、操作简便等特点。 ， 关键词：ＦＰＧＡ；ＧＰＳ；ＭＤ５；ＤＥＳ；数据加密
中图分类号：ＴＰ３０９．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—７７２０（２０１０１１５—００８０—０３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ＧＰＳ ｄａｔａ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ
ＦＰＧＡ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＸＩＮＧ Ｈｏｎｇ Ｔａｏ，ＷＡＮＧ Ｊｉａｎ Ｇｏｎｇ，ＣＨＵ Ｘｉａｏ
（Ｕｎｉｔ一６３８９５ ｏｆ ＰＴＪＡ，Ｍｅｎｇｚｈｏｕ ４５４７５０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＧＰＳ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ＧＰＳ ｄａｔａ ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｕｓｉｎｇ ＦＰＧＡ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔｓ ＭＤ５ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎｔｏ ＮＩＯＳ ｔｏ ｅｎｃｒｙｐｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
ｐａｓｓｗｏｒｄ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｓ ＤＥＳ ＩＰ ｔｏ ｅｎｃｒｙｐｔ ｔｈｅ ＧＰＳ ｄａｔａ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ＧＰＳ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｂｅｉｎｇ ｉｌｌｅｇａｌｌｙ ｒｏｂｂｅｄ，ｗｉｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｔｒｏｎｇ ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ｆａｓｔ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｓｉｍｐｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．
第４２卷第２期 ２０１５年４月 应 用 科 技 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．４２№．２ Ａｐｒ．２０１５ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９—６７１Ｘ．２０１４０７００８ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１１９１．Ｕ．２０１５０３２５．１２５５．００７．ｈｔｍｌ 基于ＦＰＧＡ的数字式ＧＰＳ接收机载波环设计与实现 张博，张斌 空军工程大学信息与导航学院，陕西西安７１００７７ 摘要：同步系统工作的好坏，在很大程度上决定了通信系统的质量。ＧＰＳ接收机将天线接收到的卫星信号经射频前端 处理后变成了数字中频信号，接收机对ＧＰＳ卫星的信号处理过程，可依次分为捕获、跟踪、位同步和帧同步４个阶段。针 对ＧＰＳ信号的ＢＰＳＫ调制和强度微弱等特点，模拟ＧＰＳ接收机基带数字信号处理过程，首先介绍了科斯塔斯（Ｃｏｓｔａｓ）接 收机的工作原理，分析研究了基于现场可编程门阵列（ｆｉｅｌｄ—ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ，ＦＰＧＡ）的软件无线电载波同步技术 的实现方法，并采用Ｃｏｓｔａｓ环实现了载波同步，性能测试验证了设计的正确性和可行性。 关键词：载波同步；伪随机码；Ｃｏｓｔａｓ环；现场可编程门阵列 中图分类号：Ｐ２２８．４２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９—６７１Ｘ（２０１５）０２．０２９—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｌｏｏｐ ｆｏｒ ａ ｄｉｇｉｔａｌ ＧＰＳ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ＺＨＡＮＧ Ｂｏ，ＺＨＡＮＧ Ｂｉｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７ １００７７，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｃａｎ ｂｅ ｌａｒｇｅｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ．ＧＰＳ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓ ａ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｓｉｇｎａｌ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｂｙ ａｎ ａｎｔｅｎｎａ ｉｎｔｏ ａ ｄｉｇｉｔａｌ ｍｅｄｉｕｍ—ｆｒｅ— ｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ ｂｙ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｒｏｎｔ ｅｎｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ＧＰＳ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃａｎ ｂｅ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｆｏｕｒ ｓｔｅｐｓ ｉｎ ｏｒｄｅｒ：ｃａｐｔｕｒｉｎｇ，ｔｒａｃｋｉｎｇ，ｂｉｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｒａｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ． Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｓｕｃｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｓ ＢＰＳＫ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｅａｋ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ＧＰＳ ｓｉｇｎａｌ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ＧＰＳ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｆｏｒ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ｂａｓｅｂａｎｄ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｃｏｓｔａｓ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ＦＰＧＡ—ｂａｓｅｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｒａｄｉｏ ｃａｒｒｉｅｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，Ｃｏｓｔａｓ ｌｏｏｐ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｒｔｉｅｒ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；ｐｓｅｕｄｏ ｒａｎｄｏｍ ｃｏｄｅ；Ｃｏｓｔａｓ ｌｏｏｐ；ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ—ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ） 接收机对ＧＰＳ卫星的信号处理过程，可以依次 分为捕获、跟踪、位同步和帧同步４个阶段。由于位 同步、帧同步均需要以数据解调为前提条件，除了幅 度调制及频率调制可以采用非相干解调外，大部分 调制方式都采用相干解调以获取更好的性能，而进 行相干解调，接收端就必须提取相干载波。载波同 步的性能直接影响着通信系统的性能。针对ＧＰＳ 信号的ＢＰＳＫ调制和强度微弱等特点，ＧＰＳ接收机 锁相环通常采用Ｉ／Ｑ解调法来帮助完成对输入信号 收稿日期：２０１４—０７—２５． 网络出版日期：２０１５—０３．２５ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１２７３０４９）． 作者简介：张博（１９８９一），男，硕士研究生； 张斌（１９６８－），男，教授． 通信作者：张斌，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｂｉｎ５０３７＠１６３．ｃｏｒｎ． 的下变频、鉴相和数据解调等任务。自同步法是工 程上广泛应用的一种载波同步方式。自同步法主要 有锁相环、平方环、Ｃｏｓｔａｓ环和判决反馈环等。目前 工程上最常用的抑制载波跟踪环是平方环和Ｃｏｓｔａｓ 环等。由于Ｃｏｓｔａｓ环不需要对接收信号进行平方变 换，也不需要对锁相环路中ＤＤＳ输出的载波信号进 行分频处理，因此实现复杂度更小些，所耗费的硬件 资源也更少。模拟ＧＰＳ接收机基带数字信号处理 过程，首先介绍了科斯塔斯（Ｃｏｓｔａｓ）接收机的工作 原理，分析研究了基于现场可编程门阵列（ｆｉｅｌｄ—ｐｒｏ— ｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ，ＦＰＧＡ）的软件无线电载波同 步技术的实现方法，并采用Ｃｏｓｔａｓ环实现了载波同 步，
