室内GPS中频信号的数字化采集设计

liyf · 发表于 2014-10-1 06:13:17

第12 卷第27 期2012 年9 月
1671—1815( 2012) 27-7031-05
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 12 No. 27 Sep． 2012
 2012 Sci. Tech. Engrg.
地球科学
室内GPS 中频信号的数字化采集设计
贾志宏崔晓伟
( 清华大学电子工程系，北京100084)
摘要介绍了一种ICS 公司生产的高速数据采集卡ICS554 在室内GPS 中频数据采集中的典型应用。采集后的信号经过
PCI 总线模块后，数据被上传到PC 机进行数据存储，实现了室内GPS 中频信号的数字化采集。实验结果表明，室内外两路天
线的设计有利于适合室内环境下的需求，同时通过PCI 总线可以将采集数据实时高速地传输到PC 机，有助于后续对室内信
道特性的数据建模和研究。
关键词ICS554 采集卡室内GPS 信号PCI 总线天线
中图法分类号P228. 4; 文献标志码B
2012 年5 月28 日收到
第一作者简介: 贾志宏( 1982—) ，男，河北省冀州市人，清华大学电
子工程系研究生，研究方向: 室内GNSS 信道建模与仿真。E-mail:
unclejia@ gmail. com。
GPS 信号在室内传播时遭受到严重多路径和信
道衰落的影响。为了实现对室内信道衰落等特性
的建模，首先要解决的是采集室内原始GPS 信号的
问题。室内GPS 信号极其微弱，以GPS IIR-M 型卫
星为例，GPS 的C /A 码到达地面的最小信号功率为
－ 158. 5 dB·W［1］。文献［2］也提到，在室内定位需
要捕获－ 160 ～－ 200 dB·W 范围内的GPS 信号。
为了完成后续室内信道测量，单独采集如此微弱的
室内GPS 信号，需要设计极为复杂的捕获算法。文
献［3］中提到，GPS 接收机差分相干捕获算法在不
需辅助数据的情况下能在200 ms 内捕获到－ 177
dB·W 的GPS 信号，但该算法也有一定的错误捕获
概率。为达到实时无误采集处理室内GPS 微弱信
号的目的，本文提出增加一路室外GPS 参考信号辅
助捕获跟踪室内GPS 信号的方案。室内和室外的
GPS 原始数据被同步采集和处理，室外参考信号处
理得到的捕获和跟踪数据可以向室内信号提供误
差较小的近似载波多普勒、码相位等相关参数，另
外加上对导航电文的剥离，可以突破相干捕获算法
积分时间不超过20 ms 的累加限制，非常有利于室
内GPS 微弱信号的采集与处理。
1 系统总体构架
整个采集系统由射频信号接收、中频数字化处
理以及PCI 传输三部分组成。卫星信号由天线接收
下来后，经射频信号接收单元降频、放大、去噪，传
输到中频数字化处理单元采样转化为数字信号，然
后由FPGA 模块解调、下变频到基带，最后数据经
PCI 总线传输到PC 机进行频谱分析、建模仿真等。
如图1。
1. 1 射频信号接收单元
如图2 所示，天线接收到GPS 卫星信号，经过
射频信号调整、下变频混频以及中频信号滤波放
大，GPS L1 信号频率由1 575. 42 MHz 下变频到中
频，再经过低通滤波就进入中频数字化处理阶段。
GPS 接收机中各级电路内部噪声对级联后总噪声系
数的影响各有不同，但级数越靠前对总噪声系数影
响就越大，总噪声系数主要取决于最前面几级电路
的噪声系数，因此前置滤波器在L1 信号1 575. 41
MHz 频率附近至少应保证C /A 码的2 MHz 频谱位
于滤波器的通带内，以保证信号的完整性，并且滤
波器的通带响应该平稳以保证信号的稳定性。因此，
图1 系统总体构架
前置滤波器需要选择具有低噪声特点的带通滤波
器滤除带外噪声。声表面波带通滤波器( BPF) ，通
带响应平稳，并且通带边缘陡峭，对于处理微弱GPS
信号，可以滤除GPS 波段之外的各种干扰和噪声。
图2 射频信号接收单元
1. 2 中频数字化处理单元
根据GPS 信号室内传播特性，本文设计了基于
ICS554 采集卡的室内GPS 中频信号数字化采集平
台。ICS554 采集卡是具有PCI 总线接口的四通道
高速数据采集卡，如图3，可以同时对四路模拟信号
进行14 bit 精度，30—80MSPS 采样速率的采样处
理。采样时钟可以由内部或外部提供。对于原始
采样数据，用户可以选择是否利用卡上的可编程逻
辑资源进行处理。原始数据或者处理后的数据可
以通过64 bit /66 MHz 的PCI 总线传输到PC 机。
本文采集平台主要借助了ICS554 中AD6645、
FPGA 以及FIFO 功能模块，在充分发挥采集卡本身
硬件的同时，增强了伪码解算、跟踪以及信号解调
等设计的灵活性。如图4 所示。
1. 2. 1 AD6645 的结构和特点
AD6645 是一款具有14 位精度、4 通道以及每
通道最大采样率高达105 MHz 的A/D 转换芯片，是
当前用于中频数字处理的优选器件。采用3 级子区
式转换结构，这种设计的好处是既保证了转换的精
图3 ICS554 采集卡实物图
图4 数字化采集平台框架图
度和速度，又实现了较小的功耗和封装尺寸。输入
信号带宽可达50 kHz ～ 200 MHz; 双音无杂散动态
范围( SFDR) 为100 dB; 典型的信噪比74. 5 dB; 工
作带宽270 MHz; 数字输出可工作在3． 3 V 电源上，
方便与数字ASIC 接口; 数字采样输出为二进制补
码格式等。AD6645 的信号输入方式采用两路差分
输入，可实现采样部分与FPGA 相结合，而采样频率
由外部时钟控制。AD 前端驱动目的是使采样信号
参考电平与AD6645 的模拟信号输入参考电平达到
一致。AD 前端驱动、采样处理及FPGA 关系如图5
所示［4］。
1. 2. 2 FPGA 中实现的功能和优化设计
在XILINX 公司的ISE9. 1 开发环境中，选用顶
层设计方式，通过verilog 语言编写FPGA 内部程序，
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图5 AD 前端驱动、采样处理及FPGA 关系图
完成正交数字下变频，数字低通滤波以及PCI 总线
配置等设计和优化，最终实现下变频到基带的信号
被送入终端处理PC 机中。
1. 2. 2. 1 正交数字下变频( QDDC)
基于正交混频的数字下变频器与模拟下变频
器类似，包括数字混频器、数字控制振荡器( NCO)
和抽取滤波器3 部分( 如图6) 。从A/D 转换器中
输出的数字中频信号与本地NCO 产生的正弦/余弦
信号相乘，相乘结果分为I、Q 两路信号。两路信号
分别经过抗混叠滤波以及数字抽取，数据流速率降
低为基带的信号输出到FIFO。通过配置PCI 总线，
调整基带数据输出格式，如并行/串行、实数型/复
数型、定点/浮点等。
实验模拟信号中频频率18. 414 MHz，带宽10
M，采用100 MHz 采样，经过正交数字下变频到基
带，经数字抽取到10 MHz。C /A 码信号频谱主峰宽
只有2. 046 MHz，数字采样率最终选用10 MHz，是
为了保留更多有用信息，提高频率分辨率，利于观
察多路径的影响。
图6 基于正交混频的数字下变频模型
1. 2. 2. 2 数字低通滤波器
数字低通滤波能提高信噪比，抑止杂波和镜像
频谱。数字低通滤波器采用等波纹最佳一致逼近
法设计。根据要求设计的FIR 低通滤波器如图7 所
示。
滤波器的指标如下:
通带: BW = 5 MHz ; 过渡带: 3 MHz;
阻带衰减: ≥ － 50 dB; 滤波器阶数: 64 阶。
图7 数字FIR 低通滤波器
1. 3 PCI 传输单元
PCI 总线是一种即插即用的高性能总线标准，
支持线性突发模式，速度快，存取延误极小，能独立
于CPU 同步工作，在高性能计算机和外围设备中得
到了广泛的应用。本文中的PCI 传输单元采用PCI
驱动芯片QL5064，它是ICS554 上一款支持64 位66
M 总线标准的PCI 桥芯片，符合PCI v2. 2 规范，其
最大突发传输速率可达528 Mbps。PCI 核由控制器
和FIFO 组成，可实现零等待的突发传输以及本地
总线时钟和PCI 总线时钟的异步操作，支持主模式、
从模式和DMA 传输三种模式。FPGA 处理后的基
带数据先传输到缓存FIFO 中，缓存FIFO 大小为64
K × 72 bit。待缓存FIFO 写满后发出中断给PC 机
程序，pc 机程序接收到FIFO 的满中断就开始以
DMA 数据传输模式传输数据，DMA 设置传输数据
大小也为64 K × 72 bit。当数据传输完毕时停止
DMA 传输，FPGA 检测到FIFO 空信号后又继续读
取64 K × 72 bit 的数据存入缓存FIFO，重复之前的
操作直到PC 机读完FPGA 中所有数据，PC 机程序
停止读操作。
我们使用微软公司的程序编程软件VC2005，通
过应用程序接口( API) 来控制和访问硬件，达到读
取数据的目的。ICS 公司对应用程序接口做了性能
优化，提供了“ICS554Api. h”的头文件以及软硬件
开发常用的功能代码，有效加强了开发和调试代码
的能力。PC 机程序首先通过调用Win32 函数Cre-
27 期贾志宏，等: 室内 GPS 中频信号的数字化采集设计 7033
ateFile( ) 来获得ICS554 采集卡驱动程序的句柄
hDevice，然后用Win32 函数中ics554LocalControlSet
( hDevice) 等函数来提交板卡I /O 控制代码和相关
输入输出缓冲区到驱动程序。
2 数据存储与实验仿真
因为PCI 总线的传输速率和电脑硬盘读写速率
不匹配，为实现实时采集，不间断读写，PC 机读操作
程序采用了乒乓操作的方法［5］。如图5 所示。乒
乓操作的特点是“输入数据选择单元”和“输出数
据选择单元”按乒乓节拍互相配合，将经过缓冲的
数据流不间断输送到“数据处理单元”进行运算与
处理。通过观察输入输出两端的数据流，发现读、
写数据都是连续不断的，因此非常适合对数据流进
行流水线式处理，基本实现数据的无缝缓冲与流畅
处理。
图8 典型乒乓操作示意图
任意截取1 ms 实验数据在matlab 中进行仿真。
图9 为运用非相关累计捕获算法累计10 次捕获到
的GPS PRN 为29 的卫星室内外信号图。从图中可
以看出，室内GPS 信号被有效捕获。
3 结论
实际实验中，室外参考天线距离室内天线不超
过30 m，这样做是尽可能保证GPS 信号到达室内外
两路天线时室外空间传播阶段带来的时延和多普
勒相同。在利用室外参考天线确保室内GPS 信号
捕获的前提下，剥离室外影响因素利于后续只针对
图9 非相关10 次累计的室外信号捕获结果与
室内信号捕获结果
室内信号传播特性的信道建模。相对于室外环境，
室内环境下GPS 信号传播规律较难描述，现有的
GPS 信道模型主要针对的是室外环境，真正适合室
内环境的GPS 信道模型尚未成熟。本文提出的室
内GPS 中频信号数字化采集方案，实现了实时、连
续采集室内GPS 原始信号的目标，满足了室内信道
测量与建模对原始数据的要求，也为今后研究室内
GPS 信号的捕获、跟踪和解调算法等打下了坚实
基础。
参考文献
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7034 科学技术与工程 12 卷

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