第四章为GPS接收机射频模块实现。主要介绍了MAX2769通用GPS接收机的原理、功能和管脚连接。针对射频模块介绍了MAX2769芯片、电源和外围电路,基于FPGA的控制信号等方面进行详尽分析,以实现通过三线串口配置其寄存器。论文期间对该部分进行了诸多实验。
第五章为GPS中频接收机的FPGA实现。论文用FPGA为载体,绘制了从真题到各个模块的实现框图:整体结构、C/A码生成、C/A码捕获、伪码跟踪、载波捕获跟踪以及数据处理等模块。对重点部分:平均下采样、FFT、平方根算法和载波NCO进行了详尽研究,做了大量Matlab以及Modelsim仿真。源:自~751-·论`文'网·www.751com.cn/
2 GPS基本原理
要想研究GPS接收机,首先要对GPS的基本原理有一定的了解,其中最为重要的就是GPS信号。这需要研究GPS的信号结构、产生方式、调制解调原理、导航电文构成,还需了解发射频率、信号带宽等参数。同时,必须了解GPS接收机的基本原理。这些前期的研究会为GPS软件接收机的设计打下坚实的基础。
2.1 GPS信号
GPS信号主要由三中信号构成,包括作为物理层的载波信号(L1和L2),作为测距码层的伪随机码信号(C/A码和P码)及作为数据链路层的电文信号(D码)。这三种信号通过乘法器调制得到GPS信号,且由同一星载原子钟所产生的10.23MHz基准频率分频和倍频产生,这对于信号的同步十分有利。载波L1频率由基准频率倍频154倍产生,载波L2频率由基准频率倍频120倍产生,C/A码频率由基准频率分频10倍产生,P码频率频率由基准频率产生,D码频率由基准频率分频204600倍产生。
2.1.1 GPS载波
GPS信号使用的载波位于特高频(UHF,300MHz~3GHz),在雷达波段划分中,位于L波段。该波段位于中红外窗口,空气中衰减较小,且频率较高,满足卫星通信的视距传输要求。GPS卫星采用两种载波频率L1和L2,其中L1的频率为1575.42MHz,L2的频率为1227.6MHz。GPS 卫星还发射频率为L3与L4的信号,这些信号与星载的机密有效载荷有关,其中L3 与核爆检测系统有关,L4 与保护辅助包(RAP)的有效载荷有关;另外,GPS信号还计划增加L5波段[11]。文献综述
2.2.2 GPS测距码
由通信原理可知,信道容量服从香农公式:
(2-1)
式中,C为信道容量(bit/s),B为信道带宽(Hz),S/N 为信道的信噪比;由式2-1可知,当信道的信噪比下降时,可以通过提高信道带宽来提高信道容量[11]。由于GPS卫星完全依赖太阳能,S/N不能做到很高,只能通过扩展B来保证信道容量。而伪随机码(PRN码)很好的满足了这一要求。另外,GPS系统的不同卫星的信号在同一波段上传输,这就要求GPS测距码采用码分多址(CDMA)技术设计。第三,GPS接收机需要能够简单、有效的分辨出测距码相位,这需要测距码具有陡峭的相关特性。综上,GPS系统采用了直接序列扩频序列(DSSS)工作方式。
GPS卫星采用C/A码和P码作为测距码,后者码元宽度更短,重复周期更长,进而精度更高,信道带宽更宽,用于军用系统。C/A码是由两个10级反馈以为寄存器生成的M序列所构成的戈尔德(Gold)码的一种。