基于FFT的GPS信号并行捕获的研究及其FPGA实现

论文摘要

本课题深入分析了GPS软件接收机基于FFT并行捕获算法并详细阐述了其FPGA的实现。相比于其它的捕获方案,该方案更好地满足了信号处理实时性的要求。论文的主体部分首先简单分析了扩频通信系统的基本原理,介绍了GPS系统的组成,详细阐述了GPS信号的特点,并根据GPS信号的组成特点介绍了接收机的体系结构。其次,通过对GPS接收机信号捕获方案的深入研究,确定了捕获速度快且实现复杂度不是很高的基于FFT的并行捕获方案,并对该方案提出了几点改进的措施,根据前面的分析,提出了系统的实现方案,利用MATLAB对该系统进行仿真,仿真的结果充分的验证了方案的可行性。接着,对于捕获环节中的核心部分——FFT处理器,设计中没有采用ALTERA提供的IP核,独立设计实现了基于FPGA的FFT处理器,并通过对一组数据在MATLAB中运算得到结果和FPGA输出结果相对比,可以验证该FFT处理器的正确性。再次重点分析了GPS接收机并行捕获部分的FPGA具体实现,通过捕获的FPGA时序仿真波形,证明了该系统已经能成功地捕获到GPS信号。最后,对全文整个研究工作进行总结,并指出以后继续研究的方向。本课题虽然是对于GPS接收机的研究,但其原理与GALILEO、北斗等导航系统的接收机相近,因此该课题的研究对我国卫星导航事业的发展起到了积极的推动作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究背景及意义
• 1.3 国内外发展概况
• 1.4 论文内容及安排
• 第2章 GPS系统原理
• 2.1 扩频通信
• 2.1.1 扩频通信基本原理
• 2.1.2 直接序列（DS）扩频系统
• 2.2 GPS系统的组成
• 2.3 GPS定位的基本原理
• 2.4 GPS信号的特点
• 2.4.1 载波信号
• 2.4.2 伪随机码信号
• 2.4.3 导航电文
• 2.4.4 GPS信号的调制
• 2.5 GPS接收机的体系结构
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于FFT并行捕获算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 捕获方案的分析
• 3.2.1 时域滑动相关捕获
• 3.2.2 基于FFT的并行捕获
• 3.2.3 方案选择
• 3.3 基于FFT并行捕获算法改进的研究
• 3.3.1 弱信号的捕获
• 3.3.2 平均采样技术
• 3.3.3 FFT模块的复用
• 3.4 基于FFT并行捕获的总体设计
• 3.5 捕获系统的仿真验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 FFT处理器的FPGA的实现
• 4.1 引言
• 4.2 FFT总体结构
• 4.3 地址产生器
• 4.3.1 倒序输入地址设计
• 4.3.2 蝶形运算地址设计
• 4.4 蝶形运算单元
• 4.4.1 复数乘法器的设计
• 4.4.2 蝶形运算单元的实现
• 4.5 块浮点运算单元
• 4.5.1 块浮点运算单元的工作原理
• 4.5.2 块浮点运算模块的FPGA实现
• 4.6 数据存储单元
• 4.6.1 存储单元RAM
• 4.6.2 存储单元ROM
• 4.7 时序控制单元
• 4.8 1024点FFT处理器的FPGA实现
• 4.9 本章小结
• 第5章 GPS信号并行捕获的FPGA实现
• 5.1 引言
• 5.2 捕获中各模块的FPGA实现
• 5.2.1 本地载波NCO
• 5.2.2 C/A码产生器
• 5.2.3 载波混频器
• 5.2.4 平均下采样
• 5.2.5 峰值检测
• 5.3 捕获总体的FPGA实现
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录A
• 附录B
• 附录C
• 附录O
• 附录E
• 附录F