1、基于PCI9820和GP2015的GPS信號采集與頻譜分析    摘要：實現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計和具體實現(xiàn)，使用外部可編程電路對所設(shè)計濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計和仿真驗證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte紀(jì)元法，孫希延，施滸立，王曉嵐(1中國科學(xué)院 國家天文臺&

2、#160; 北京  100012；2桂林電子科技大學(xué) 應(yīng)用科技學(xué)院  廣西 桂林  541004)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)的實時處理，關(guān)鍵的基帶信號處理模塊相關(guān)器一般由專用集成電路來實現(xiàn)。對于軟件GPS接收機(jī)，其射頻前端模塊仍由硬件實現(xiàn)，基帶處理由軟件實現(xiàn)，其軟件平臺可以是數(shù)字信號處理器(DSP)，也可以是通用PC機(jī)。采集真實GPS信號，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)計開發(fā)，是當(dāng)前GPS接收機(jī)發(fā)展的一個活躍的方向。為保證采集GPS數(shù)據(jù)的有效

3、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。總線的數(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，實現(xiàn)對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)部時鐘基準(zhǔn)，內(nèi)部時鐘基準(zhǔn)下，當(dāng)兩組模擬輸入同時工作時，最高采樣率為60 MSs，而

4、外部鐘基準(zhǔn)下可達(dá)到65 MSs；而當(dāng)選取一路模擬輸入，若啟用“乒乓”模式，內(nèi)部時基下采樣率高達(dá)120 MSs，外部時基下采樣率可以達(dá)到130 MSs。PCI9820具備14 b的分辨率，14 b的AD分辨率使得PCI9820在時域和頻域應(yīng)用方面較為理想。輸入的范圍可由軟件選擇，提供-11 V或是-55 V兩種范圍。輸入阻抗可以通過手動跳線位于板卡背面的J6和J7，提供兩種選擇，分別為50 和1 M。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。可獲得的觸發(fā)模式有后觸發(fā)、預(yù)觸發(fā)、延時

5、觸發(fā)和中間觸發(fā)。對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，PCI9820可以接受來自于SSI接VI及外部SMB接口的5 VTFL數(shù)字觸發(fā)信號，并且多卡共用時鐘及觸發(fā)信號。PCI9820延續(xù)凌華在DAQ-2000系列上的設(shè)計，提供自動校正功能，使用者只要通過一個軟件指令，就可以激活PCI9820上的自動校正功能，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)計方面，采用標(biāo)準(zhǔn)的SODIMMSDRAM來儲存資料。因為PCI9820的單一信道所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，已超過了33 MHz、32 b PCI總線的頻寬，所以數(shù)據(jù)在傳輸?shù)接嬎銠C(jī)之前都

6、記錄在板載SDRAM中，然后再通過總線控制DMA傳輸?shù)街鳈C(jī)內(nèi)存中。當(dāng)數(shù)據(jù)的速度超過PCI總線帶寬時，板卡上的內(nèi)存容量相對就顯得重要。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 MSs時，長達(dá)數(shù)秒的儲存空間。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)存的實時數(shù)據(jù)傳輸。在一個多用戶或者多任務(wù)操作系統(tǒng)中，單獨分配一塊大的連續(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)存塊連接成一個互連的表列，從而可以不受分散小容量內(nèi)存塊的影響實現(xiàn)

7、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包括一個片上合成器、混頻器、自動增益控制(AGC)和一個提供符號和量級數(shù)字輸出的量化器，構(gòu)成一個完整的GPS接收機(jī)射頻前端電路僅需要極少的外部元件。可以與12信道GPS相關(guān)器GP2021或者GP4020等GPS基帶處理器配套使用，適合CA代碼全球定位的衛(wèi)星接收機(jī)、時間標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)航和測量的應(yīng)用。射頻前端主要由GP2015芯片及外圍濾波電路構(gòu)成。GP2015的輸人信號是自天線下行

8、，經(jīng)前置放大器濾波、放大后的GPS信號(L1波段為1 575.42 MHz)作為輸入信號與鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生的第一本振信號(1.4 GHz)混頻，經(jīng)濾波得到差頻信號(175.42 MHz)。該信號與第二本振信號(140 MHz)混頻，經(jīng)過聲表濾波器中心頻率選擇得到差頻信號(35.42 MItz)。該信號隨后進(jìn)入中頻信號主放大器，這一部分由兩個AGC(自動增益控制)放大器和三級變頻器組成。信號首先經(jīng)過AGC放大，然后與第三本振信號(31.11 MHz)混頻，經(jīng)過低通濾波器選出中頻信號(4.309 MHz)。該中頻信號一路送往片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器，一路送往管腳1供測試使用。在片內(nèi)該中頻信號隨后進(jìn)入AD

9、轉(zhuǎn)換器進(jìn)行2 b量化后，模擬信號轉(zhuǎn)換為二位數(shù)字信號符號和模(SIGN和MAG)，分別表示輸出信號的極性和幅度值，它們來自于中頻模擬信號通過比較器比較之后實時輸出的比較結(jié)果。比較結(jié)果的輸出被基帶相關(guān)器提供的時鐘信號(5.714 Mttz)鎖定，鎖定后使4.309 MHz的信號變頻到1.405 MHz的數(shù)字信號。該數(shù)字信號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，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。用GP2015構(gòu)建射頻模塊還包括外圍濾波器的設(shè)計，射頻濾波器的作用是濾除帶外干擾，特別是濾除1 22458

10、MHz的鏡像噪聲，避免射頻前端第一級混頻器過載。該濾波器還有助于對900 MHz的移動電話所帶來的干擾進(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)可參考手冊及文獻(xiàn)5-7。4采樣方案及信號頻譜分析4.1 采樣方案GP2015輸出4.309 MHz的模擬中頻信號，而GPS的CA碼帶寬為2.046 MHz，因此GPS信號所占頻帶為3.2865.332 MHz，中頻信號的最高頻率為fH=5.332 MHz。按照Nyquist低通采樣定理，當(dāng)采樣頻率fs2fH時，就能夠從采樣后的數(shù)據(jù)中無失真地恢復(fù)出原來的信號，信號在時域的采樣等效于在頻域的周期延拓，使fs2fH就是為了

11、保證采樣后的信號頻譜不重疊，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，對實時處理GPS信號帶來了困難。所以工程實際中經(jīng)常使用帶通采樣技術(shù)，降低采樣率，有利于簡化硬件、降低成本，同時減輕后續(xù)數(shù)據(jù)處理的壓力。對于GPS中頻帶通信號，其帶寬為B=2.046 MHz，只要取fs2B的某些值，就可以保證采樣后的信號頻譜不重疊。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是帶通信號的最高頻率，fL是帶通信號的最低頻率，n為整數(shù)，取值范圍為2nfH(f

12、H-fL)。對于這里的GPS中頻信號，fH=5.332 MHz，fL=3.286 MHz，由式(1)可得：當(dāng)n=2時，fs范圍：5.332 MHzfs6.572 MHz，因此在工程實際中，與GP2015配套的基帶芯片GP2021(GP4020)提供的采樣時鐘頻率為5.714 MHz，欠采樣得到1.405 MHz的數(shù)字中頻信號。PCI9820采集卡的內(nèi)部時鐘基準(zhǔn)為60 MHz，可在軟件中設(shè)定對其進(jìn)行整數(shù)比率的分頻，即fs=60n，n為整數(shù)，我們?nèi)=10，得到采樣頻率fs=6 MHz，按此頻率對GPS中頻信號采樣得到1.691 MHz的數(shù)字中頻信號。實驗中還采用低通采樣頻率fs=12 MHz進(jìn)行

13、對比實驗。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法實現(xiàn)較長時間實時數(shù)據(jù)采集功能，而PCI9820提供的雙緩沖模式可以解決這一問題。雙緩沖一個是循環(huán)緩沖，一個是用戶緩沖。循環(huán)緩沖又分成兩個部分。采集的數(shù)據(jù)先寫入循環(huán)緩沖區(qū)，當(dāng)半滿時，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，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，采集的數(shù)據(jù)會繼續(xù)寫入循環(huán)緩沖

14、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)很繁忙的時候，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。具體程序設(shè)計可參考例程和文獻(xiàn)3，4。4.3 采樣信號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GP2015的中頻信號進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)存在計算機(jī)硬盤上，在Matlab軟件平臺下對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行時頻分析，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，數(shù)據(jù)連續(xù)可靠，為后續(xù)軟件基帶處理提供了真實可靠的數(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號衛(wèi)星捕獲結(jié)果圖，表明數(shù)據(jù)完好可用。5 結(jié)語利用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)實現(xiàn)了對GPS信號長時間連續(xù)采集，并對數(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，實現(xiàn)了軟件GPS接收機(jī)，也