基于PCI9820和GP2015的GPS信號(hào)采集與頻

　　1 引 言

　　典型GPS接收機(jī)主要由4部分組成：天線、射頻前端、相關(guān)器和導(dǎo)航解算模塊。為保證GPS接收機(jī)的實(shí)時(shí)處理，關(guān)鍵的基帶信號(hào)處理模塊――相關(guān)器一般由專用集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于軟件GPS接收機(jī)，其射頻前端模塊仍由硬件實(shí)現(xiàn)，基帶處理由軟件實(shí)現(xiàn)，其軟件平臺(tái)可以是數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)，也可以是通用PC機(jī)。采集真實(shí)GPS信號(hào)，把數(shù)據(jù)存在普通PC的硬盤上，利用PC豐富的軟硬件資源進(jìn)行軟件接收機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)，是當(dāng)前GPS接收機(jī)發(fā)展的一個(gè)活躍的方向。為保證采集GPS數(shù)據(jù)的有效性，要綜合考慮的指標(biāo)包括采樣率、量化位數(shù)、數(shù)據(jù)連續(xù)完好性等指標(biāo)，這是選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的依據(jù)。

　　本文介紹了一種基于PCI?？偩€的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用ADLINK公司生產(chǎn)的PCI9820數(shù)據(jù)采集卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)ZARLINK公司的射頻模塊GP2015輸出的中頻GPS數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)存到硬盤上，以便后續(xù)的GPS基帶信號(hào)處理以及定位解算工作。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　2 PCI9820數(shù)據(jù)采集卡介紹

　　PCI9820 是一塊高速、高分辨率、高容量的PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，配備兩路模擬輸入端，具備同步采集的功能。它提供60 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘基準(zhǔn)，內(nèi)部時(shí)鐘基準(zhǔn)下，當(dāng)兩組模擬輸入同時(shí)工作時(shí)，最高采樣率為60 MS/s，而外部鐘基準(zhǔn)下可達(dá)到65 MS/s;而當(dāng)選取一路模擬輸入，若啟用“乒乓”模式，內(nèi)部時(shí)基下采樣率高達(dá)120 MS/s，外部時(shí)基下采樣率可以達(dá)到130 MS/s。

　　PCI9820 具備14 b的分辨率，14 b的A/D分辨率使得PCI9820在時(shí)域和頻域應(yīng)用方面較為理想。輸入的范圍可由軟件選擇，提供-1～1 V或是-5～5 V兩種范圍。輸入阻抗可以通過(guò)手動(dòng)跳線位于板卡背面的J6和J7，提供兩種選擇，分別為50 Ω和1 MΩ。

　　PCI9820 可以提供多樣的觸發(fā)選擇，觸發(fā)源包括軟件觸發(fā)、模擬觸發(fā)與數(shù)字觸發(fā)。模擬觸發(fā)功能提供多種觸發(fā)條件的選擇，數(shù)字觸發(fā)則提供上升沿觸發(fā)與下降沿觸發(fā)兩種選擇?？色@得的觸發(fā)模式有后觸發(fā)、預(yù)觸發(fā)、延時(shí)觸發(fā)和中間觸發(fā)。對(duì)于有極短暫間隔的連續(xù)觸發(fā)事件，可以用重復(fù)觸發(fā)模式獲取數(shù)據(jù)。在應(yīng)用多卡同步功能時(shí)， PCI9820可以接受來(lái)自于SSI接VI及外部SMB接口的5 V/TFL數(shù)字觸發(fā)信號(hào)，并且多卡共用時(shí)鐘及觸發(fā)信號(hào)。

　　PCI9820延續(xù)凌華在DAQ-2000系列上的設(shè)計(jì)，提供自動(dòng)校正功能，使用者只要通過(guò)一個(gè)軟件指令，就可以激活PCI9820上的自動(dòng)校正功能，完成模擬輸入信道的校正工作，不需要任何繁雜手工操作。

　　PCI9820 在數(shù)字設(shè)計(jì)方面，采用標(biāo)準(zhǔn)的SODIMMSDRAM來(lái)儲(chǔ)存資料。因?yàn)镻CI9820的單一信道所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，已超過(guò)了33 MHz、32 b PCI總線的頻寬，所以數(shù)據(jù)在傳輸?shù)接?jì)算機(jī)之前都記錄在板載SDRAM中，然后再通過(guò)總線控制DMA傳輸?shù)街鳈C(jī)內(nèi)存中。當(dāng)數(shù)據(jù)的速度超過(guò)PCI總線帶寬時(shí)，板卡上的內(nèi)存容量相對(duì)就顯得重要。PCI9820的標(biāo)準(zhǔn)版本配備64 MB的內(nèi)存，最高可支持到512 MB，可提供單一信道采集頻率達(dá)130 MS/s時(shí)，長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒的儲(chǔ)存空間。如果板卡的數(shù)據(jù)輸出小于PCI帶寬，PCI9820可以配置板載3k采樣數(shù)量的FIFO旁路SDRAM，完成直達(dá)主機(jī)內(nèi)存的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。在一個(gè)多用戶或者多任務(wù)操作系統(tǒng)中，單獨(dú)分配一塊大的連續(xù)的內(nèi)存用于DMA傳輸是很困難的，所以PCI9820提供了聚散DMA功能，它能把分散的內(nèi)存塊連接成一個(gè)互連的表列，從而可以不受分散小容量?jī)?nèi)存塊的影響實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　3 GPS射頻芯片GP2015簡(jiǎn)介

　　GP2015 是ZARLINK公司生產(chǎn)的TQFP封裝的小型射頻前端芯片。GP2015提供一個(gè)低功率、低成本和高可靠性的GPS射頻前端解決方案。GP2015包括一個(gè)片上合成器、混頻器、自動(dòng)增益控制(AGC)和一個(gè)提供符號(hào)和量級(jí)數(shù)字輸出的量化器，構(gòu)成一個(gè)完整的GPS接收機(jī)射頻前端電路僅需要極少的外部元件?？梢耘c12信道GPS相關(guān)器GP2021或者GP4020等GPS基帶處理器配套使用，適合C/A代碼全球定位的衛(wèi)星接收機(jī)、時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)航和測(cè)量的應(yīng)用。

　　射頻前端主要由GP2015芯片及外圍濾波電路構(gòu)成。GP2015的輸人信號(hào)是自天線下行，經(jīng)前置放大器濾波、放大后的GPS信號(hào) (L1波段為1 575.42 MHz)作為輸入信號(hào)與鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生的第一本振信號(hào)(1.4 GHz)混頻，經(jīng)濾波得到差頻信號(hào)(175.42 MHz)。該信號(hào)與第二本振信號(hào)(140 MHz)混頻，經(jīng)過(guò)聲表濾波器中心頻率選擇得到差頻信號(hào)(35.42 MItz)。該信號(hào)隨后進(jìn)入中頻信號(hào)主放大器，這一部分由兩個(gè)AGC(自動(dòng)增益控制)放大器和三級(jí)變頻器組成。信號(hào)首先經(jīng)過(guò)AGC放大，然后與第三本振信號(hào)(31.11 MHz)混頻，經(jīng)過(guò)低通濾波器選出中頻信號(hào)(4.309 MHz)。該中頻信號(hào)一路送往片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，一路送往管腳1供測(cè)試使用。

　　在片內(nèi)該中頻信號(hào)隨后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行2 b量化后，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為二位數(shù)字信號(hào)――符號(hào)和模(SIGN和MAG)，分別表示輸出信號(hào)的極性和幅度值，它們來(lái)自于中頻模擬信號(hào)通過(guò)比較器比較之后實(shí)時(shí)輸出的比較結(jié)果。比較結(jié)果的輸出被基帶相關(guān)器提供的時(shí)鐘信號(hào)(5.714 Mttz)鎖定，鎖定后使4.309 MHz的信號(hào)變頻到1.405 MHz的數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)輸出給基帶處理器做進(jìn)一步處理。

　　這里使用的是GP2015第一管腳的4.309 MHz的模擬中頻信號(hào)，送到PCI9820數(shù)據(jù)采集卡，按照一定采樣率，采集得到數(shù)字中頻GPS信號(hào)。

　　用GP2015 構(gòu)建射頻模塊還包括外圍濾波器的設(shè)計(jì)，射頻濾波器的作用是濾除帶外干擾，特別是濾除1 224.58 MHz的鏡像噪聲，避免射頻前端第一級(jí)混頻器過(guò)載。該濾波器還有助于對(duì)900 MHz的移動(dòng)電話所帶來(lái)的干擾進(jìn)行濾除。射頻濾波器引入的插入損耗需要由LNA前置低噪放大器做出補(bǔ)償。具體細(xì)節(jié)可參考手冊(cè)及文獻(xiàn)[5-7]。

　　4采樣方案及信號(hào)頻譜分析

　　4.1 采樣方案

　　GP2015 輸出4.309 MHz的模擬中頻信號(hào)，而GPS的C/A碼帶寬為2.046 MHz，因此GPS信號(hào)所占頻帶為3.286～5.332 MHz，中頻信號(hào)的最高頻率為fH=5.332 MHz。按照Nyquist低通采樣定理，當(dāng)采樣頻率fs≥2fH時(shí)，就能夠從采樣后的數(shù)據(jù)中無(wú)失真地恢復(fù)出原來(lái)的信號(hào)，信號(hào)在時(shí)域的采樣等效于在頻域的周期延拓，使fs≥2fH就是為了保證采樣后的信號(hào)頻譜不重疊，因此可知采樣頻率最低為fs=10.664 MHz。但采樣頻率越高，后端數(shù)字基帶處理的數(shù)據(jù)處理量就越大，對(duì)實(shí)時(shí)處理GPS信號(hào)帶來(lái)了困難。所以工程實(shí)際中經(jīng)常使用帶通采樣技術(shù)，降低采樣率，有利于簡(jiǎn)化硬件、降低成本，同時(shí)減輕后續(xù)數(shù)據(jù)處理的壓力。

　　對(duì)于GPS中頻帶通信號(hào)，其帶寬為B=2.046 MHz，只要取fs≥2B的某些值，就可以保證采樣后的信號(hào)頻譜不重疊。這種采樣方式就稱為帶通采樣(Band-Sampling)，又叫欠采樣(Under-Sampling)，帶通采樣頻率fs可由下式確定：

　　其中，fH是帶通信號(hào)的最高頻率，fL是帶通信號(hào)的最低頻率，n為整數(shù)，取值范圍為2≤n≤fH/(fH-fL)。

　　對(duì)于這里的GPS中頻信號(hào)，fH=5.332 MHz，fL=3.286 MHz，由式(1)可得：

　　當(dāng)n=2時(shí)，fs范圍：5.332 MHz≤fs≤6.572 MHz，因此在工程實(shí)際中，與GP2015配套的基帶芯片GP2021(GP4020)提供的采樣時(shí)鐘頻率為5.714 MHz，欠采樣得到1.405 MHz的數(shù)字中頻信號(hào)。

　　PCI9820 采集卡的內(nèi)部時(shí)鐘基準(zhǔn)為60 MHz，可在軟件中設(shè)定對(duì)其進(jìn)行整數(shù)比率的分頻，即fs=60/n，n為整數(shù)，我們?nèi)=10，得到采樣頻率fs=6 MHz，按此頻率對(duì)GPS中頻信號(hào)采樣得到1.691 MHz的數(shù)字中頻信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中還采用低通采樣頻率fs=12 MHz進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

　　4.2 PCI9820雙緩沖數(shù)據(jù)采集模式

　　在DOS 環(huán)境下，一次DMA或中斷方式采集數(shù)據(jù)通常不能超過(guò)640 kB。在Windows環(huán)境下，一次DMA的數(shù)據(jù)量依賴于板卡的PCI控制芯片的尋址范圍和系統(tǒng)物理內(nèi)存大小，雖然可能很大但仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能，而PCI9820提供的雙緩沖模式可以解決這一問(wèn)題。

　　雙緩沖一個(gè)是循環(huán)緩沖，一個(gè)是用戶緩沖。循環(huán)緩沖又分成兩個(gè)部分。采集的數(shù)據(jù)先寫入循環(huán)緩沖區(qū)，當(dāng)半滿時(shí)，循環(huán)緩沖區(qū)的前半部分寫入到用戶緩沖區(qū)中。采集的數(shù)據(jù)繼續(xù)向循環(huán)緩沖區(qū)的后半部分寫入。當(dāng)循環(huán)緩沖區(qū)全寫滿時(shí)，循環(huán)緩沖區(qū)的后半部分?jǐn)?shù)據(jù)再寫入用戶緩沖區(qū)中，此時(shí)，采集的數(shù)據(jù)會(huì)繼續(xù)寫入循環(huán)緩沖區(qū)的前半部分。如此反復(fù)，每半滿一次，循環(huán)緩沖區(qū)的前或后半部分就會(huì)被寫到用戶緩沖區(qū)中去，從而達(dá)到連續(xù)高速采集的功能。值得注意的是，雙緩沖方式涉及到內(nèi)存的頻繁讀寫，因此當(dāng)采樣速率很高或是系統(tǒng)任務(wù)很繁忙的時(shí)候，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。具體程序設(shè)計(jì)可參考例程和文獻(xiàn)[3，4]。

　　4.3 采樣信號(hào)分析

　　按照前面介紹的采樣頻率方案以及PCI9820的雙緩沖數(shù)據(jù)采集模式，我們對(duì)GP2015的中頻信號(hào)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)存在計(jì)算機(jī)硬盤上，在Matlab軟件平臺(tái)下對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析，并進(jìn)行捕獲跟蹤處理。

　　結(jié)果表明當(dāng)采樣頻率為6 MHz和12 MHz時(shí)，數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，為后續(xù)軟件基帶處理提供了真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。圖3，圖4分別為采樣頻率為6 MHz和12 MHz的信號(hào)頻譜圖，圖5為以6 MHz進(jìn)行采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)捕獲運(yùn)算，得到的9號(hào)衛(wèi)星捕獲結(jié)果圖，表明數(shù)據(jù)完好可用。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　利用PCI9820高性能數(shù)據(jù)采集卡和GP2015射頻模塊構(gòu)建的GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPS信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理，結(jié)果表明數(shù)據(jù)連續(xù)完好，可用于后續(xù)基帶處理，實(shí)現(xiàn)了軟件GPS接收機(jī)，也為其他帶通信號(hào)的采集處理提供了參考。