衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基帶偽碼的頻域快捕獲，完整系統(tǒng)解決方案

項目背景及可行性分析

1．項目名稱、項目的主要內(nèi)容及目前的進展情況

項目名稱：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基帶偽碼的頻域快捕獲；

項目的主要內(nèi)容：利用FPGA設(shè)計實現(xiàn)GNSS信號的頻域快速捕獲算法。

目前的進展情況：擁有成熟的算法結(jié)構(gòu)和仿真測試結(jié)果，開始著手相關(guān)模塊的實現(xiàn)。

2．項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點的論述

創(chuàng)新點（1）：基于FFT，在頻域計算偽碼序列的循環(huán)相關(guān)值。在每一個多普勒頻移，對所有碼延遲同時計算出相關(guān)結(jié)果。和傳統(tǒng)的直接計算本地與接收信號相關(guān)值的方法相比，運算時間短。對C/A碼來說，只需接收到一個偽碼周期（1ms）的信號，就可估計出碼相位；傳統(tǒng)的串行相關(guān)，每次最多移動半個碼片，完成一次相關(guān)運算，搜索整個碼周期需要最少移動2046次。

創(chuàng)新點（2）：FFT運算要求滿足所用數(shù)據(jù)的個數(shù)為2的整數(shù)次冪，一般情況下A/D不能滿足在一個碼周期內(nèi)采樣點數(shù)符合2的整數(shù)次冪。本項目通過一種平均下采樣技術(shù)，來完成數(shù)據(jù)的匹配。

創(chuàng)新點（3）：采樣數(shù)據(jù)為一個碼周期時，通過處理單邊帶數(shù)據(jù)的辦法可以減少一半的運算量。雖然通過IFFT后只能找到前一半的點，但這些點包含了幾乎全部信息。

關(guān)鍵技術(shù)（1）：FFT的實現(xiàn)

關(guān)鍵技術(shù)（2）：平均下采樣完成數(shù)據(jù)匹配

3．技術(shù)成熟性和可靠性論述

目前通過MATLAB在通用PC機上完成該算法，證明該算法不僅可以有效地捕獲到衛(wèi)星導(dǎo)航信號，而且速度較傳統(tǒng)的方法相比有很大提高，在一定程度上降低計算的工作量和復(fù)雜度。

下圖為實際衛(wèi)星捕獲結(jié)果示意圖：

為了能夠?qū)崿F(xiàn)算法在FPGA平臺的順利移植，利用System Generator在Simulink下的進行了部分硬件協(xié)同仿真工作。開發(fā)板為合眾達(dá)公司的seed-fem025，F(xiàn)PGA芯片為Virtex-4 SX25。由于整套系統(tǒng)硬件協(xié)同仿真所需的硬件資源不足，所以硬件協(xié)同仿真分模塊進行。

軟件仿真的結(jié)果如下圖：

團隊成員均有比較扎實的數(shù)字電路基礎(chǔ)知識和FPGA設(shè)計功底，以及信號處理方面的專業(yè)知識，完全有能力保證該項目的順利實施，最終完成項目。同時團隊成員依托于哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信技術(shù)研究所衛(wèi)星導(dǎo)航技實驗室，利用實驗室的各種硬件資源，作為項目的物質(zhì)保證；通信技術(shù)研究所早在10年以前就開始了對衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的研究，積累了大量成熟的技術(shù)。

另外Virtex5系列的FPGA具有豐富的硬件資源，便于實現(xiàn)數(shù)字信號處理功能，可以有效地實現(xiàn)大規(guī)模的FFT運算，能夠?qū)崿F(xiàn)實時的頻域捕獲。

項目實施方案

1．方案基本功能框圖及描述

該方案利用FFT，在頻域完成接收信號與本地信號的循環(huán)相關(guān)運算，因此同時計算出所有碼相位的相關(guān)值，估計接收信號的碼相位延遲。

具體過程如下：

(1)中頻信號采樣后經(jīng)過數(shù)字下變頻，經(jīng)過平均下采樣，整合數(shù)據(jù)，匹配運算點數(shù)的要求。將匹配的數(shù)據(jù)交給FFT模塊。其中I、Q兩支路分別作為FFT的實部和虛部進行復(fù)數(shù)FFT運算。

(2)在FFT單元中，對進來的數(shù)據(jù)做分段處理，分段的長度L就決定一次并行運算的長度，與捕獲概率、捕獲時間有很大的關(guān)系。

(3)對本地產(chǎn)生的擴頻碼，同樣進行平均下采樣數(shù)據(jù)匹配后進行FFT運算，并取其復(fù)共軛。

(4)把數(shù)據(jù)段和地址段的FFT結(jié)果相乘，然后進行IFFT運算。

(5)對IFFT的結(jié)果取模值，存儲結(jié)果。

(6)對結(jié)果進行捕獲判決，找出累加后一幀中最大點與設(shè)定的門限比較，如果高于門限值，進行一次捕獲檢驗。

(7)如果低于門限，調(diào)整NCO調(diào)整頻率，重復(fù)上面的步驟

2．需要的開發(fā)平臺

所需開發(fā)平臺為XUPV5-LX110T，因為用頻域捕獲算法需要大點數(shù)的FFT變換支持。

3．方案實施過程中需要開發(fā)的模塊

本方案進行的頻域捕獲主要分為，頂層模塊，下采樣模塊、FFT模塊、PRN序列產(chǎn)生模塊、復(fù)數(shù)乘法器模塊、NCO模塊、峰值判決模塊、頻率搜索模塊。

4．系統(tǒng)最終要達(dá)到的性能指標(biāo)

在SNR為-19dB的條件下，捕獲偽碼序列，碼相位的估計結(jié)果在0.5個碼片范圍內(nèi)，以滿足后續(xù)跟蹤模塊的啟動條件。

四、需要的其它資源

1．測試設(shè)備

在方案實施過程中，需要Xilinx內(nèi)嵌的邏輯分析儀；思博倫的導(dǎo)航衛(wèi)星信號源；Simulink以及System generator。

2．仿真、開發(fā)工具

ISE集成平臺，Matlab和simulink，System generator，Synplify Pro綜合工具，以及仿真工具Modelsim。