GPS接收机FFT捕获技术研究及FPGA实现

论文摘要

GPS接收机具有定位和导航等重要功能,因此在军事和民用等领域应用广泛。信号捕获是GPS接收机内信号处理的第一步,用以确定天空中的可视卫星。设计的难点在于如何实现高动态环境下的快速捕获。利用FPGA的纯硬件设计在这方面有着得天独厚的优势,既性能高效、又高度集成节约面积,可用来完成实际工作中的模块电路设计甚至系统级电路设计。本文即着力于研究基于FPFA的适用于高动态环境下的快速捕获模块。本文阐述了GPS接收机捕获模块的工作原理,比较了串行线性搜索法和基于FFT的并行码相位搜索法两种捕获算法的优缺点。由于前者方法捕获速度较慢,仅适用于静态或对时间要求宽松的场合,而基于FFT的并行码相位搜索法快速高效且性能可靠,因此本文采用verilog HDL硬件描述语言在Quartus II开发环境下实现了基于FFT的快速捕获模块的FPGA设计。全部设计包括FFT/IFFT正反变换模块、本地载波发生器、本地伪码发生器、平均下采样模块、取模判决模块等六大模块,本文采用实际接收的GPS信号对其进行了功能仿真和时序仿真。仿真结果表明,本设计功能正确、性能可靠。此外,为了使接收机与外部设备可靠的交互,本文在GPS捕获模块之外,设计了用于接收机与外设串行通信的UART接口,波特率为512Kbps,具备发送和接收数据的功能,仿真结果显示了设计的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 本文研究背景和意义
• 1.2 本文主要内容和结构安排
• 2 GPS信号结构和接收机工作原理
• 2.1 GPS信号组成
• 2.1.1 C/A码
• 2.1.2 P码
• 2.1.3 导航电文
• 2.2 接收机工作原理
• 2.2.1 射频前端
• 2.2.2 信号捕获
• 2.2.3 信号跟踪
• 2.2.4 数据解调和观测量的提取
• 3 GPS捕获算法及性能分析
• 3.1 多普勒效应对GPS信号捕获的影响
• 3.2 GPS接收机信号捕获方法
• 3.2.1 串行线性捕获法
• 3.2.2 基于FFT的并行码相位捕获法
• 3.2.3 两种搜索捕获方法的比较
• 4 FFT捕获模块电路的设计
• 4.1 傅立叶正反变换模块
• 4.2 本地载波发生器
• 4.3 本地C/A码发生器
• 4.4 平均下采样模块
• 4.5 取模判决模块
• 5 FFT捕获模块电路的验证
• 5.1 验证方法
• 5.2 捕获模块电路的验证
• 5.2.1 FFT正反变换模块的验证
• 5.2.2 本地载波发生器模块的验证
• 5.2.3 本地C/A码发生器模块的验证
• 5.2.4 平均下采样模块的验证
• 5.2.5 整体捕获性能的验证
• 6 UART的FPGA设计与验证
• 6.1 RS-232C协议标准
• 6.2 UART串口通信协议
• 6.3 UART接口的FPGA实现
• 6.3.1 波特率发生器模块设计
• 6.3.2 发送模块设计
• 6.3.3 接收模块设计
• 6.4 基于FPGA设计的异步串口通信模块的验证
• 6.4.1 波特率发生器电路的验证
• 6.4.2 发送模块电路的验证
• 6.4.3 接收模块电路的验证
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢