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基于FPGAt利用FFT算法实现GPS C/A码捕获的研究

作　者: 梁丽芳
导　师: 张淑芳
学　校: 大连海事大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: GPS捕获 FFT 采样率转换 FFT IP核
分类号: TN967.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 470次
引　用: 4次
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内容摘要

随着中国二代导航系统的建设,卫星导航的应用将普及到各个行业,具有自主知识产权的卫星导航接收机的研究与设计是该领域的一个研究热点。在接收机的设计中,对于成熟技术将利用ASIC芯片进行批量生产,该芯片是专用芯片,一旦制造成型不能改变。但是对于正在研究的接收机技术,特别是在需要利用接收机平台进行提高接收机性能研究时,利用FPGA通用可编程门阵列芯片是非常方便的。在FPGA上的研究成果,一旦成熟可以很方便的移植到ASIC芯片,进行批量生产。本课题就是基于FPGA研究GPS并行捕获技术的硬件电路,着重进行了其中一个捕获通道的设计和实现。GPS信号捕获时间是影响GPS接收机性能的一个关键因素,尤其是在高动态和实时性要求高的应用中或者对弱GPS信号的捕获方面。因此,本文在滑动相关法基础上引出了基于FFT的并行快速捕获方法,采用自顶向下的方法对系统进行总体功能划分和结构设计,并采用自底向上的方法对系统进行功能实现和验证。本课题以Xilinx公司的Spartan 3E开发板为硬件开发平台,以ISE 9.2i为软件开发平台,采用Verilog HDL编程实现该系统。并利用Nemerix公司的GPS射频芯片NJ1006A设计制作了GPS中频信号产生平台。该平台可实时地输出采样频率为16.367MHz的GPS数字中频信号。本课题主要是基于采样率变换和FFT实现对GPS C/A码的捕获。该算法利用平均采样的方法,将信号的采样率降低到1.024 MHz,在低采样率下利用成熟的1024点FFT IP核对C/A码进行粗捕,给出GPS信号的码相位(精度大约为1/4码片)和载波的多普勒频率,符合GPS后续跟踪的要求。同时,由于FFT算法是以资源换取时间的方法来提高GPS捕获速度的,所以在设计时,合理地采用FPGA设计思想与技巧优化系统。基于实用性的要求,详细的给出了基于FFT的GPS并行捕获各个模块的实现原理、实现结构以及仿真结果。并达到降低系统硬件资源,能够快速、高效地实现对GPS C/A码捕获的要求。本研究是导航研究所承担的国家863课题“利用多径信号提高GNSS接收机性能的新技术研究”中关于接收机信号捕获算法的一部分,对接收机的设计具有一定的参考价值。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-16
  1.1 课题背景  11-13
    1.1.1 GPS系统概述  11
    1.1.2 GPS接收机  11-13
  1.2 课题意义  13-15
  1.3 论文安排  15-16
第2章 GPS信号的产生与接收  16-25
  2.1 GPS信号结构  16-22
    2.1.1 GPS信号的产生  16-19
    2.1.2 伪随机码  19-21
    2.1.3 导航电文  21-22
  2.2 GPS接收机结构  22-25
    2.2.1 GPS信号捕获  22-23
    2.2.2 GPS信号跟踪  23-25
第3章基于FFT的GPS并行捕获  25-34
  3.1 顺序捕获  25-26
  3.2 基于FFT的并行捕获  26-30
    3.2.1 并行捕获原理  26-28
    3.2.2 基于FFT的GPS捕获总体设计  28-30
  3.3 基于FFT的并行捕获的参数确定  30-34
    3.3.1 捕获时的电文长度  30
    3.3.2 捕获时的频率步长  30-32
    3.3.3 捕获门限确定  32-34
第4章硬件和软件开发平台  34-42
  4.1 硬件开发平台  34-39
    4.1.1 GPS中频信号产生平台  34-36
    4.1.2 GPS中频信号捕获处理硬件平台  36-39
  4.2 软件开发平台  39-42
    4.2.1 ISE功能简介  40-41
    4.2.2 Xilinx IP core的使用  41-42
第5章 GPS捕获的实现  42-73
  5.1 输入缓存模块  42-45
    5.1.1 数据缓存实现原理  42-43
    5.1.2 输入控制状态机的实现  43-45
    5.1.3 输入缓存电路  45
  5.2 数字下变频  45-51
    5.2.1 正弦余弦(NCO)产生模块  46-48
    5.2.2 数字混频模块  48-51
  5.3 平均采样部分  51-57
    5.3.1 平均采样原理  51-54
    5.3.2 平均采样的实现  54-56
    5.3.3 平均采样电路仿真  56-57
  5.4 C/A码的实现  57-61
    5.4.1 C/A码实现原理  57-60
    5.4.2 C/A码实现仿真  60-61
  5.5 FFT和IFFT部分  61-67
    5.5.1 FFT IP核原理  61-64
    5.5.2 FFT IP核的使用设置  64-66
    5.5.3 FFT和IFFT功能实现  66-67
  5.6 复数乘法部分  67-69
    5.6.1 复数乘法实现原理  67-68
    5.6.2 复数乘法器仿真  68-69
  5.7 峰值检测部分  69-73
    5.7.1 峰值检测实现原理  69-71
    5.7.2 峰值检测仿真  71-73
结论  73-75
参考文献  75-77
致谢  77-78
研究生履历  78

基于FPGAt利用FFT算法实现GPS C/A码捕获的研究

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