GPS中卫星信号采集卡的设计



2011-09-21 17:59　作者：九视电子　出处：www.360tsw.com

　　【摘要】卫星信号采集卡是GPS软件接收机中唯一必不可少的硬件环节。文中给出了GPS卫星信号采集卡的总体设计和各软硬件功能模块具体实现方法。所设计的采集卡以GP2010作为射频前端处理芯片，采用PCI9054驱动芯片实现PCI高速传输，实现了对GPS卫星数字中频信号的实时、连续、无差错采集，可广泛应用于软件接收机研制、高性能信号处理算法验证、GPS信号环境分析等。

　　【关键词】信号采集卡;GPS;PCI;FPGA;软件接收机

　　全球定位系统(GPS)可以给用户提供实时的定位、速度和时间信息…，具有全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。随着GPS在社会各个领域中的应用越来越广泛，GPS接收机技术不断向着高速度、好的跟踪性能、低功耗、低成本、多用途的方向发展。与此同时，要求的开发周期却越来越紧迫。传统GPS接收机的相关处理由专门硬件(ASIC)实现，设计定型后便难以改变;软件GPS接收机中引入了软件无线电技术，所有基带处理在可编程的通用数字处理器上用软件实现，可进行重新配置，可形成供接收机研究开发和设计验证的平台。

　　在软件接收机中需要对传统的硬件射频(RF)前端进行改造，除了完成RF卫星信号的接收、放大、下变频、滤波等处理之外，还需将信号采集下来，通过标准化的接口输出，供软件处理。本文给出基于RF前端芯片、FPGA传输控制和PCI接口的GPS卫星信号采集卡的设计方案和实现方法。

　　1采集卡总体设计及功能本文设计的GPS卫星采集卡主要由三大部分组成：射频处理模块、PCI传输模块以及FPGA控制和数据缓存模块组成，如图l所示。射频处理模块由GPS的射频前端芯片及外围电路组成，主要实现GPS卫星信号的下变频、滤波、中频信号的AD变换等功能。射频前端芯片将575.42 MHzGPS的LI(1 MHz)信号下变频为4.309的中频信号，并经模数转换输出两比特数字中频信号。

　　2采集卡原理与实现 射频处理模块射频处理采用三级下变频结构的GP2010作为射频处理的主要器件。GP2010是Zarlink半导体公司为全球定位系统(GPS)接收机设计的第二代射频高频端器件。它bit(A/D)将GPS射频信号下变频到4.309MHz的中频(IF)，并对中频信号进行5.714MHz的采样和2量化。它主要集成了频率合成器、混频器、自动增益控制器(AGC)电路以及数字量化器等。GP2010接收的信号频率与Ll载波的卫星信号频率兼容，主要用于设计C/A码GPS接收机的射频单元。微弱的GPS高频信号通过超外差式三级混频电路，去掉了其它信道干扰，获得了足够增益，解调并提取出所需的中频信息。

　　PCI传输模块PCI是 (外设部件互连标准)的缩写，它是目前个人中使用最为广泛的接口。其数据带宽为32位(可扩展到64位)，工作频率33娜z，数据传输率达到133MB/s，并且支持线性突发模式，速度快且存取延误极小，能够独立于CPU的同步操作。32MIIzPCI传输模块采用PCI驱动芯片PCI9054芯片。PCI9054是美国PLX公司生产的一种32的PCI总线主控I/O加速器。采用先进的PLX流水线结构;符合PCI本地总线规范2.2版，突发传输速率达到132MB/s;本地总线复用/非复用的32b地址/数据线，有M、J、C三种工作模式，但C模式的数据和地址总线是非复用的;支持8b、16b、32b外围设备和存储设备，本地总线操作速率高达50MH内部有6种可编程的FIFO，可实现零等待的突发传输及本地总线时钟和PCI总线时钟的异步操作，支持主模式、从模式和DMA传输模式。

　　整个采集卡实现了GPS卫星信号的实时、连续采集，为软件接收机后面的相关处理提供了可靠的GPS数据。为今后利用通用Pc机进行GPS信号的捕获、跟踪和解调的算法研究，打下了基础。