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GPS软件接收机基带处理算法研究与FPGA实现

作　者: 舒宇
导　师: 赵琳
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: GPS接收机现场可编程门阵列基带信号处理锁频环科思塔斯环延迟锁定环
分类号: P228.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

基于软件无线电思想的卫星导航接收机以其灵活的参数配置和功能扩展特性在世界范围内得到了广泛的研究。作为软件接收机的核心——基带信号处理模块的正常运行不仅是导航解算的前提,而且能够影响整个接收机的性能。论文以调制C/A码的GPS L1信号处理技术对研究对象,结合Matlab仿真和基于现场可编程门阵列的通用接收机硬件平台对GPS接收机基带信号处理理论与实现技术展开深入研究,不仅对GPS软件接收机的开发具有重要意义,而且能够为其他卫星导航系统接收机的研制提供理论支持和实践经验。首先,详细阐述了GPS信号的结构、特性和产生过程,简要介绍软件接收机体系结构和工作原理,结合实际工程深入探讨了GPS信号接收和射频下变频及模数转换处理过程。重点设计了两种GPS信号捕获电路——时域滑动相关捕获和基于快速傅里叶变换的频域捕获,并通过Matlab仿真对其性能进行深入分析。其次,基于Matlab仿真和实际工程需求对构成环路的数字控制振荡器、环路滤波器、鉴别器等关键器件进行理论分析和算法实现研究,设计了以锁频环辅助的科思塔斯环和延迟锁定环为主体的GPS信号跟踪环路,对环路进行了整体分析,并讨论了捕获转跟踪的参数传递设计方法。最后,研究环路的载噪比测量、位同步和从环路提取测量值的方法,在以FPGA为核心的硬件平台上实现了GPS软件接收机基带信号处理功能。作为对软件接收机调试的指导和功能验证手段,整个基带信号处理的Matlab仿真和解调后串口显示的导航数据证明了基带处理方案设计和合理性和算法实现的正确性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章绪论  9-13
  1.1 课题研究背景及意义  9-10
  1.2 GPS 接收机研究现状及软件接收机技术  10-11
  1.3 论文内容及安排  11-13
第2章 GPS 信号结构与分析  13-23
  2.1 传统GPS 信号  13-18
    2.1.1 载波  16
    2.1.2 PRN 码  16-17
    2.1.3 导航数据  17-18
  2.2 现代化的GPS 信号  18-22
    2.2.1 L2C 信号  18-19
    2.2.2 L5 信号  19-20
    2.2.3 现代化的军用信号  20-22
  2.4 本章小结  22-23
第3章信号接收与捕获  23-37
  3.1 GPS 软件接收机的体系结构  23-24
  3.2 天线及射频前端  24-27
  3.3 信号的捕获  27-36
    3.3.1 时域滑动相关捕获  28-30
    3.3.2 基于FFT 的频域并行捕获  30-36
  3.4 本章小结  36-37
第4章信号的跟踪  37-64
  4.1 载波跟踪  37-51
    4.1.1 Costas 环  38-47
    4.1.2 锁频环  47-48
    4.1.3 锁频环辅助的Costas 环  48-51
  4.2 码跟踪  51-59
    4.2.1 延迟锁定环  51-53
    4.2.2 码环NCO 设计  53-54
    4.2.3 延迟锁定环鉴相器算法  54-57
    4.2.4 码环误差分析  57-59
  4.3 信号跟踪环路的整体分析  59-61
  4.4 捕获模块与跟踪模块的参数传递  61-62
  4.5 本章小结  62-64
第5章测量值的提取与接收机调试  64-85
  5.1 环路信噪比与锁定检测  64-66
  5.2 位同步  66-68
  5.3 测量值的提取  68-69
  5.4 软件接收机的FPGA 实现与调试  69-78
    5.4.1 外围辅助电路设计  71-73
    5.4.2 跟踪环路的FPGA 仿真与实现  73-75
    5.4.3 捕获电路FPGA 仿真与实现  75-76
    5.4.4 基带信号处理电路的测试  76-78
  5.5 基带信号处理的Matlab 仿真与实现  78-84
  5.6 本章小结  84-85
结论  85-86
参考文献  86-89
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  89-90
致谢  90

GPS软件接收机基带处理算法研究与FPGA实现

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