基于FPGA和DSP的衛星導航接收機測試平臺

衛星導航接收機是衛星導航系統的用戶終端，用以給用戶提供精確的經度、緯度、高度和速度等信息。現在，衛星導航接收機已經應用于航空，交通管理，石油等各個領域，針對衛星導航接收機的研究也越發深入。
本文介紹了一種以 FPGA和 DSP為主處理器的衛星導航接收機硬件平臺。在該平臺上不僅可以驗證針對現在所有衛星導航系統（GPS，Glonass，伽利略，北斗）的基帶信號處理算法和導航解算算法，同時也可以實現完整的單頻、雙頻或者兼容接收機。
1? 硬件設計
1.1? 硬件平臺組成硬件平臺結構框圖如圖 1所示。?
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該平臺以兩片 FPGA芯片和兩片 DSP芯片為主處理器。經過 AD采樣后的信號直接進入FPGA，此后所有對信號的處理均由軟件來實現。如此可以充分利用 FPGA和 DSP的重復燒寫及在線調試能力，
盡量減少對硬件的依賴程度，從而增加平臺的靈活性。另外，每片 DSP都外接了 Flash和 SDRAM。由于 Flash掉電數據不會丟失，可以在 Flash內保存程序及數據，功能有如 PC機上的硬盤，而外接的 SDRAM是 DSP的擴展Ram，當 DSP運行大型程序（如導航解算程序）以致 DSP的內部 Ram不夠用時，可以將程序放到外接的 SDRAM內運行。
??? 平臺上還有多個串口，可以接顯控等設備。兩個 Arinc-429接口可以接慣導等航空設備。JTAG是在線調試接口。時鐘模塊提供系統的工作時鐘。
??? 只要連接上針對不同衛星導航系統的射頻模塊和天線，該平臺就可以成為一個完整的接收機。
1.2 芯片介紹
FPGA采用 Altera公司 CycloneII系列中的 EP2C70F672。Altera公司的 CycloneII系列 FPGA是業界成本及功耗最低的 FPGA之一，采用 90nm工藝制造。 EP2C70F672是 CycloneII系列中的最高型號，擁有 7萬個邏輯單元， 1Mbits內部 RAM，300個 9×9乘法器，4個 PLL環和 422個 I/O接口，最高數據率可以達到 330Mbps。
DSP采用德州儀器公司（TI）的C6000系列中的TMS320C6713。它是TI開發的基于甚長指令（VILW）結構浮點運算數字信號處理芯片，每周期可以執行 8條32位指令，工作頻率最高可以達到300MHz。擁有 256K字節內部RAM，16個通道的增強 DMA控制器，32bits外部存儲器接口，兩個多通道緩沖口。
模數轉換芯片選用模擬器件公司（ADI）的 AD9288Bst-100。該芯片的采樣率最高可以達到100Msps，正交雙通道 8bits輸出。由于其低功耗特性，被廣泛應用于手持設備等對功耗要求較高的場合。
Flash采用SST公司的 SST39VF800，容量為 512K*16。SDRAM采用 Micron公司的 MT48LC4M32B，存儲空間為4M*32。
2軟件測試
在該硬件平臺上用 Verilog語言和 C語言編寫了簡單的 GPS衛星捕獲跟蹤程序，以驗證其功能。程序模塊劃分如圖 2所示。在 FPGA內實現了數字下變頻，捕獲和跟蹤通道，在 DSP內實現跟蹤環
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2.1 捕獲
為了讓跟蹤環路正常跟蹤信號，必須先通過調整本地載波和偽碼使得他們與接收到的載波和偽碼粗略對準，這就是捕獲。粗略對準的原則是捕獲后的本地載波和信號載波頻差在載波跟蹤環的跟蹤范圍內，本地碼和信號碼的相差在碼跟蹤環的跟蹤范圍內。因此捕獲就是一個在時域和頻域的二維搜索過程。
信號的捕獲采用最簡單的單積分滑動相關的方法，原理如圖 3所示。為了提高捕獲速度和精度，頻率的搜索采用大步進和小步進結合的方法。即先用大步進粗略捕獲，然后在捕獲到的頻點上進行小步進精確調整。

2.2 跟蹤
圖 2中的跟蹤通道、DSP接口、DSP內的鑒頻器、鑒相器和濾波器組成了完整的跟蹤環路。整個跟蹤環路的原理框圖如圖4所示。圖中的乘法器和積分器實際上是組成了一個相關器。載波NCO 和碼 NCO分別產生本地載波和本地偽碼時鐘。碼發生器產生本地超前路（ Eearly），當前路（ Prompt）和滯后路（Late）偽碼。FPGA在每次相關累加結束后向 DSP發出中斷請求，送出超前、滯后和當前路各自的相關累加值。DSP響應中斷，用超前和滯后路的相關值進行偽碼相位的鑒別，當前路相關值用于載波的鑒頻和鑒相。提取出的偽碼、載波誤差信號經過適當的濾波器后轉換成相應的頻率控制字，反饋到 FPGA調整載波 NCO和碼 NCO，完成碼跟蹤和載波跟蹤環路的閉環，從而對接收信號進行跟蹤。

圖 5為用設計的程序捕獲跟蹤 GPS的 PRN01衛星得到的 I/Q兩路相關峰值。

3 結論
雖然該平臺采用了雙 FPGA加雙 DSP的四核設計，但是四個主處理器之間可以互相通信，因此當驗證高性能接收機而需要大量的硬件資源時，可以將兩片 FPGA合而為一作為一片 FPGA使用。如將圖 2中的捕獲模塊和其他模塊放在不同的 FPGA內實現。而當驗證兼容接收機或者雙頻點接收機時，又可以將平臺一分為二，當成兩個基于 FPGA＋DSP的硬件平臺，而且兩個平臺之間還可以通過數據交互建立聯系。