基于FPGA的伪卫星和多通道GPS中频数据采集器的研制

关键词：GPS，FPGA，伪卫通道 GPS 中频数据采集器的研制
ABSTRACT
The pseudolite is a very effective augmentation method, when some position system can not satisfy the positioning requirement. It can not only enlarge the coverage area of the satellite positioning system in complex circumstance, but also enhance the whole system’s stability and precision. In this thesis, a 4-channel GPS pseudolite system and a synchronous acquisition system are designed to apply the theory of pseudolite in practice and solve the problem of synchronous acquisition of multi-channel GPS data at the same time without increasing the cost, on the base of theoritical analysis and research. In the first system, the C/A code is generated by FPGA. After code conversion, it is modulated on the L1 carriers by QPSK mode and the pseudolite is finished. In the second one, threechannel asynchronous GPS intermediate frequency data is adjusted to be synchronous by justification, then the data is multiplexed. The multiplexed data is saved into the PC by USB data acquisition and processed to fetch the useful message data with digital demultiplexing. In order to test the pseudolite system, we use the spectrum analyzer, oscillograph and GPS receiver. The result shows that this system is feasible under some circumstance and the design is correct and effective. In the synchronous acquisition system, after the data multiplexed and acquired, we process the data with Matlab. Theory and practical processing results shows that the method has high precision, and it can process digital multiplexing and demultiplexing effectively.
南京航空航天大学 硕士学位论文 基于FPGA的伪卫星和多通道GPS中频数据采集器的研制 姓名：周彬 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：宋茂忠 20061201
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摘
要
在 GPS 等定位系统无法满足定位要求的情况下，伪卫星对于卫星导航定位 系统来说是一种非常有用的增强手段，它不但能够增加卫星导航系统在复杂环 境下的覆盖范围，而且能够提升整个系统的稳定性、可靠性以及测量精度。 为了将伪卫星的理论技术应用于实际中和在不增加硬件成本的情况下解决 同一时刻对多前端 GPS 接收机中频数据的同步采集问题，本文设计并研究了基 于 FPGA 的四通道 GPS 伪卫星系统和多通道 GPS 中频数据的同步采集系统。 伪卫星系统中，利用 FPGA 产生 C/A 码，码变换后经过射频 QPSK 调制到 L1 载波上，完成发射器功能。同步采集系统中，利用 FPGA 对三路异步中频信号 进行码速调整同步后进行复接。在 PC 中处理 USB 采集器保存下来的数据，进 行分接操作提取有效数据。对 GPS 伪卫星信号进行了测试验证，测试结果表明 该方案在一定条件下是可行的，设计的伪卫星发射器满足预先设计要求。同步 采集系统中，进行数字复接后，利用 Matlab 处理保存下来的数据，结果表明系 统达到设计目的，能够有效地进行复接和分接处理，提取有效的信息数据。
Key Words: GPS, FPGA, Pseudolite, Synchronous Acquisition, Digital Multiplexing
II
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图表清单
图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 图 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 7.1 GPS 伪卫星信号构成图 ..............................................................................11 四通道 GPS 伪卫星系统发射框图 .............................................................12 m 序列反馈寄存器示意图 ..........................................................................13 m 序列自相关函数 ......................................................................................15 C/A 码的形成 ...............................................................................................16 伪码调相原理图...........................................................................................18 直接调相法产生 QPSK 信号方框图 ..........................................................19 2PSK 信号频谱图 ........................................................................................20 FPGA/CPLD 设计流程图 ............................................................................23 Quartus 设计输入流程 .................................................................................27 多通道 C/A 码发生器电路框图 ..................................................................30 奇数分频器连接图图...................................................................................32 C/A 码发生器 QuartusⅡ设计连接图 .........................................................33 D 触发器实现移位寄存器图 .......................................................................34 QuartusⅡ编译 C/A 码元件图 .....................................................................35 Modelsim 仿真 C/A 码发生器及码变换图 .................................................35 GPS 伪卫星硬件测试连接图 ......................................................................36 C/A 码波形图图 ...........................................................................................37 采集 C/A 码自相关以及与本地 C/A 码相关图 .........................................39 载波和 QPSK 频谱图 ..................................................................................41 GPS 软件接收机结构图 ..............................................................................42 伪卫星系统接收框图图...............................................................................42 在 C/A 码相位和多普勒频移所构成的二维平面上搜索得到的相关值 ..43 数字复接系统结构框图...............................................................................44 按位复接和按字复接图...............................................................................45 复接采集系统组成框图...............................................................................48 输出数据一帧的帧结构...............................................................................49 读写时钟时序图...........................................................................................50 一帧内读写时差变化图...............................................................................51 帧内的调整过程分析图...............................................................................52 复接电路框图图...........................................................................................53 QuartusⅡ设计元件连接图 ..........................................................................54 码速调整元件连接图...................................................................................54 Altera PLL 设计时钟图 ...............................................................................55 缓存器示意图图...........................................................................................56 USB 数据采集器保存数图 ..........................................................................59 Matlab 处理数据过程图 ..............................................................................60 数据处理界面图...........................................................................................62 同步采集系统硬件连接图...........................................................................63