GPS系统中伪码P码基于FPGA的扩展

liyf

第21卷
V01．2l
第24期
No．24
电子设计工程
Electronic Design Engineering
2013年12月
Dec．2013
GPS系统中伪码P码基于FPGA的扩展
王伟伟，杨长龙
(北京工业大学软件学院，北京100124)
摘要：针对GPS系统使用直接序列扩频调制所使用的精测距码P码，P码具有定位精度高，长周期，结构复杂等的特
性，以及其广泛的军事应用。通过对P码的产生原理进行深入研究。采用在Xilinx ISE中使用Verilog HDL语言，对P
码产生电路进行硬件实现的方法，产生指定PRN号卫星的P码．通过对生成结果进行验证以及特性分析． 以解决
GPS中长周期精测距码(P码)不借助导航信息中短周期测距码的引导．实现P码的快速直接捕获的问题。
关键词：全球定位系统；精测距伪码；扩频；反馈移位寄存器
中图分类号：TN961 ’ 文献标识码：A 文章编号：1674—6236(2013)24—0160—03
Expansion of GPS P code generation based on FPGA
WANG Wei—wei，YANG Chang·long
(School ofSoftware Engineering，Beijing e邶 ofTechnology，Beijing 100124，China)
Abstract：Because of P code for the pseudo-code of the GPS system LISeS direct sequence spread spectrum technology，P code
has a hi【gh positioning accuracy，long qycle，complex structure and other characteristics，as well as its wide range of military
applications．In-depth study of the P~ode generation principle，with the method of using Verilog HDL to implement hardware
circuit design of P Code generating circuit in Xilinx ISE，produce the specified PRN satellite P code．Through validating
generation results and analyzing characterization to solve the problem of GPS long period precise ranging code(P code)direct
acquisition without the aid of coarse ranging code．
Key words：GPS；P code；spread spectrum；feedback shift registers
全球定位系统(Global Positioning System．GPS)是美国从
上世纪70年代开始规划研制，历时21年。于1994年全面建
成．是美国继阿波罗登月、航天飞机之后的第三大航天工程，
利用GPS卫星实现全球、全天候、实时、连续导航定位的，具
有海、陆、空全方位实时三维(时间、速度、方位)导航与定位
能力的第二代卫星导航系统，是目前全球应用最为广泛、最
先进的卫星导航定位系统。
GPS系统采用典型的CDMA体制，这种扩频调制信号具
有低截获概率特性，系统利用直接序列扩频调制技术，以码
分多址复用的形式区分各个卫星信号。GPs卫星信号导航电
文为50bps的二进制数据码。利用伪随机噪声码(PRN)对导
航电文进行扩频。码片速率远高于其本身的数据码速率．对
信号的频谱进行扩展，再使用扩展的码元去调制L波段载
波，可以有效地将低速率导航电文发送到接收端。目前现代
化的GPS信号有3种载波方式：载波Ll频段1 575．42 MHz，
L2民用信号(L2C)频段1 227．6 MHz．和一个位于l 176．45 MHz
成为L5频段的载波。
GPS系统测距伪码有C，A码和P码(Y码)，以及新的军
用M码叠加在L1和L2频段上[11。基于码分多址复用(CDMA)的
GPS需要其信号中伪码具有良好的自相关和互相关性能，PRN
收稿日期：2013—04—27 稿件编号：201304334
(Pseudo Random Noise Code伪随机噪声码)码序列不仅具有
高斯噪声所有的良好自相关特性，而且具有可预知性和周期
性的规律，它与自身的相移序列相加，结果仍然为PRN码序
列，只是改变了其相位。P(Y)码又称为精确测距码，它同时调
制在Ll和L2载波信号上，主要应用于精测距、抗干扰及其保
密性要求高的环境下。P码是一种高精度定位码，利用P码进
行卫星定位要比利用粗测距码C，A码定位精度提高10倍左
右．加密后的P码称为Y码，只有特许用户才能破译使用，多
用于军事应用当中。由于P码的特点是长周期，结构复杂，因
此对P码的捕获一直是备受关注，在P码捕获的过程中需要
本地复现P码，产生P码周期内指定PRN号卫星任意时刻的
P码数据，对提高P码的捕获研究有着非常重要的意义。
1 P码的产生原理
GPS卫星信号扩频使用的P码，序列长度2．35x10 ，速
率为10．23 MHz，序列周期为266．41天。在实际应用中，GPS
卫星使用序列中的一个星期的码元，作为卫星使用的扩频伪
码序列，所以其长度为6．287x10 ，远大于C／A码的1 023个
码元长度。
依据ICD—GPS一200C目，P码的生成主要由4个称为X1A，
X1B．x2A和x2B的l2位移位寄存器产生PRN序列。图1
作者简介：王伟伟(1987一)，男，山西临汾人，硕士研究生。研究方向：嵌入式系统设计硬件方向。
- 160-
王伟伟，等 GPS系统中伪码P码基于FPGA的扩展
中给出了这种寄存器方案的详细框图。GPS基于CDMA技术
的直接序列扩频调制技术，在P码的情况下，延时的整码片
数与对应的卫星PRN号相同。X1A和X1B寄存器的输出由
一个异或电路形成X1码发生器，X2A和X2B寄存器输出异
或形成X2码发生器，X2结果馈送给一个移位寄存器， 延迟
卫星PRN号的码片数，然后与X1结果异或合并产生P码。
P码的设计规范要求4个移位寄存器每一个都有一组反
馈抽头，这些抽头用异或电路相互合并在一起，并反馈到各
个寄存器的输入级。描述这些反馈移位寄存器方案的多项式
表达示在表1中[31。
这4个反馈移位寄存器产生的m 序列的自然周期是经
过截短的，寄存器X1A 和X2A都是在4092个码片之后复
位，去掉了它们自然的4 095个码片序列的最后3个码片：寄
存器X1B和X2B是在4 093个码片后复位．去掉了它们自然
的4 095个码片序列的最后2个码片。这导致在每个X1A寄
存器循环，X1B序列相位相对于X1A序列都滞后一个码片，
结果在两个寄存器之间有相对相位进动。在X2组寄存器之
间也发生同样的相位进动。
图1 P码发生器
Fig．1 P-code generator
P码发生器4个反馈移位寄存器所用多项式和初始状态
如表1所示。
表1 P码发生器4个反馈移位寄存器所用多项式和初始状态表
Tab．1 P code generator polynomials and initial states
在GPS星期的起始点，所有移位寄存器均置于初始状
态，在每个移位寄存器历元的末尾，移位寄存器也复位到其
初始状态。所谓“4092码片截短”具体功能就是当X1A寄存
器的输出序列等于第4 092个码片的时候，输出“l”将X1A
复位到初始状态。截断码片状态示于表2中[41。
表2 移位寄存器截断译码状态表
Tab．2 Registers truncated states
X1历元是由X1A的复位信号3750分频得来的，已经验
证过X1A历元的周期为4 092~3 750=15 345 000个码片
(1．5 s)，而X1B的历元时间为4 093x3 749=15 344 657个码
片，滞后于X1历元343个码片。对于X1B的驱动时钟不是
直接来自于P码发生器模块的输入。而是经过一个时钟控制
模块。此模块检测来自于X1历元的恢复信号和X1B历元的
暂停信号的上升沿来控制X1B工作状态。由于X1B历元快
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《电子设计工程)2013年第24期
于x1历元343个码片．所以XIB经过一个历元之后就被自
己产生的历元信号挂停，然后等待343个码片时间之后，被
X1历元恢复工作，从而达到同步进动的效果同。
X1历元的重要的功能是为GPS标准时间进行计时和标
定。X1历元为GPS系统中重要的所谓“Z计数器”提供计数
时钟，其中低l9位(这个计数器又被称为周时间计数器。即
time—of-week，简称TOW)是以403200为模来计数的。可以计
算有1．5x403 200+60+60+24=7天
X2A／X2B移位寄存器相对于X1A／X1B移位寄存器来
说也有相位进动，这表现在每一个X1周期在X2历元和X1
历元之间有37个码片的相位进动，这是由将X2周期调整
成比X1周期长37个码片而产生的【61。控制X2A／X2B的原
理基本上和控制X1A／X1B相同，但有2个区别：1)挂停信
号不是像X1A／X1B一样来自于X1历元而是来自于周复位
模块，也就是说X2A／X2B每星期才暂停一次(发生在每个
星期的结束时间段。即1．5 s的EOW 时间段内X2A／X2B
历元发生的时刻)，而不是发生在每个历元(即每个1．5 s)
的时刻。2)恢复信号也是每星期一次(发生在每个星期
的开始时间段， 即1．5 s的SOW 时间段内)。它发生在
SOW 时间段内中的X2A历元时刻之后的37个码片。在这
37个码片时间段内，X2A／X2B均由暂停时钟控制，使得它
们在这段时间内保持不变。因此，X2移位寄存器的实际周
期为15345037个码片时间，比X1的要长37个 。在这里需
要说明的是，EOW 和S0W 均来自周复位模块。Z计数器的
零状态下的xl历元被定义为当前星期的开始(SOW)，大约
在星期六到星期天的午夜，这里午夜的定义是指调整宇宙
时间(UTC)的零点也就是所谓的格林威治子午线时刻。而
E0W 则是SOW 的前一个X1历元罔。
P码的发生是X1与X2的延时叠加而来，X2的延时不
像C／A码从移位寄存器上抽头而来，而是直接经过一个37
位的移位寄存器，每位m序列的抽头分别对应37颗卫星的
PRN号，因此每颗卫星的X2码延时输出码片时间就等于其
PRN号，使各个都能产生自己独特的P码序列。
2 P码产生器设计
依据P码产生方框图。P码产生模块分为时钟控制模块、
反馈移位寄存器组、译码截止模块、375o／3749分频模块、z计
数器及周复位信号产生模块、37位移位寄存器组。各个模块
功能如下：
1)时钟控制模块：依据控制信号．定时控制X1B。，X2A
和X2B 3个移位寄存器工作，时钟为系统时钟10．23 MHz：
2)反馈移位寄存器组：分别实现4个12级线性反馈移位
寄存器(X1A，X1B，X2A，X2B)的功能，根据反馈逻辑多项式各
自生成输出移位序列；实现过程中，直接设计触发器的复位整
合其初始化量，如初始化时该触发器输出为?1’．则直接设置
其触发器复位时输出为“1”，省略初始化信号赋值模块；
3)译码电路：根据各移位寄存器生成序列，对其输出序
一J62-
列进行截断，并产生复位信号使移位寄存器组复位到其初始
状态：
4)Z计数器，周复位信号产生器：触发为X1历元，周时
间计时，并产生当前星期的开始(SOW)和当前星期的结束
(EOW)信号，供X2A和X2B两个移位寄存器时钟控制信号
实现时钟的暂停与恢复功能：
5)37位移位寄存器组：A和B移位寄存器的输出(第l2
级)由异或电路合并起来，形成X1序列，及C和D形成的X2
序列，对X2组移位器寄存器产生序列进行移位，移位与所需
卫星对应的PRN号一致，输出后与X1组序列再异或操作
后．产生对应PRN号的P码
3 P码产生器仿真
依据表3中P码的码相位分配和码序列初始段，得到卫
星PRN号为2的P码数据前12个P码片(八进制)为4000，
以此于仿真结果进行验证。
表3 1．码码相位分配和码序列初始段
Tab．3 Code phase assignments and initial code sequences
f0rP code
如图．为在Xilinx ISE 10．0中生成的PRN号为2号卫星
的P码的仿真信号输出图，图中 ode为P码产生的序列，
Select[5：0]为卫星信号选择输入，在此为6’H02。
图2 P码生成仿真图
Fig．2 Simulation of P code generator
4 结 论
通过对设计结果分析．可以看出P码的长周期．以及结
构复杂的特点，也正是因此才保证其应用在精测距、抗干扰
及其保密性要求高的环境下．在P码捕获的过程中本地产生
复现P码。产生P码周期内指定PRN号卫星任意时刻的P
码数据，以解决在不借助短周期粗测距码的引导下，对P码
实现直接快速捕获。
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(下转第165页)
赵石磊，等基于ZigBee的智能窗控制系统设计
3 结束语
文中重点讨论了智能窗系统结构设计、软件设计。在经
过调试后，基于单片机、ZigBee模块、GSM 模块、温湿度传感
器、红外传感器等模块设计的智能窗系统很好地完成了设计
要求。本设计方案兼顾通用性、扩展性和性价比，还可以推广
应用到大部分家用电器上，比如电灯、洗衣机、电冰箱等的远
程控制上，具有广阔的技术应用与产业化前景。
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1ntersiI推出用于下一代基础设施电源系统的全集成式6A数字开关稳压器
创新电源管理与精密模拟解决方案的领先供应商Intersil公司今天宣布，推出一款6A数字同步步降DC／DC 电源稳压
器— —ZIJ2102，从而使其行业领先的电源管理IC产品阵容进一步扩大。新ZL2102是一款全集成带自动补偿的DC／DC稳压
器，能够支持O．54～5．5 V可调节输出电压，工作输入电压范围为4．5—14 V。高集成度和配置简易性使ZL2102成为适用于即使
是最复杂的基础设施电源系统的可靠产品。
ZL2102 DC／DC稳压器是Intersil的第三代数字电源平台的一部分．其自动补偿特性能够检测功率级并自动进行相应的调
整，从而得到一种稳定而可靠的解决方案。自动补偿通过消除复杂的设计计算帮助加快设计速度，同时提供了能够适应外部元
件老化的高可靠电源方案。
ZL2102是一个占位面积只有6 mmx6 mm的高性能解决方案。集成同步功率M0SFET使ZL2102能够在4．5—14 V的输入
电压下提供高达6A的连续负载，且具有高效率。基于内部集成式的补偿、内部自举二极管和内部驱动电路供电的低压差稳压
器(LDO)．可使用最少外部元件和电路板空间创建基于ZL2102的完美设计。 咨询编号：2013241006
一】
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2014-10-1 06:32 上传

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