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膝上型PC实现软件基带处理解析
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2017-11-08
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近来，通信和导航工程师越来越倾向在全球定位系统（GPS）中采用软件技术。1，2 由于超大规模集成电路的发展，性能强大的CPU和DSP能够通过软件对GPS信号进行实时检测和解码。这些基于软件的GPS接收机具有相当强的灵活性：只 需修改设置参数即可适应新的应用，无需重新设计硬件，选择一个IF，就可完成进一步的系统升级。
利用MAX2769 GPS接收机RF前端芯片，简单的USB DONGLE或PCI Express？（PCIe？）迷你卡就可以为膝上型 PC增加低成本的GPS 功能。MAX2769将接收到的原 始数据传输到PC主机，PC主机利用软件实现基带解 码，从而省去了单机GPS系统所需要的基带ASIC的成 本。简单的说，MAX2769使设计人员可以利用单芯 片实现GPS和Galileo系统信号处理的适配器。 本文给出了GPS系统的工作状态概述，并详细描述了 Maxim的基于软件的GPS接收机方案。
GPS信号发生器
GPS系统包含24颗空间卫星或空间运载器、地面控制站以及用户设备（接收机）。对于民用GPS和Galileo系统，这些卫星通过频率为1.57542GHz的L1波段进行通信。3 GPS 接收机必须捕获到至少四颗卫星的信号才能进行可靠 定位，信号捕获和跟踪非常复杂，因为每颗卫星和接 收机的位置时刻都在变化。
GPS系统实际上是一个简单的扩频通信系统。4 图1提 供了一个民用GPS系统的信号发生电路。首先，50bps 的导航信息重复20次，形成1000bps的比特流。然后 这个重复信号被长度为1023码片（伪随机噪声（PRN）码的码速） 的唯一粗/ 捕获码（ C / A ） 进行扩频， 形成 1.023Mcps的基带信号。此用这种扩频方法后，43dB 大小的GPS系统的总处理增益（G）可以很好地恢复比 热噪声电平低得多的信号。
每颗卫星都有唯一的C/A码或者说Gold码。5 由于具有 很好的自相关和互相关性，Gold码被广泛用于各种 CDMA通信系统，如WCDMA和cdma2000？。基带信 号经过二元相移键控（BPSK）调制后被上变频到L1波 段进行传输。
图1. 民用GPS信号发生器采用扩频技术发送信号。
信号取样方法分析
因为GPS是一种CDMA通信系统，所以作为解调数据 的先决条件，接收机必须与PRN码进行同步。实现代 码同步通常需要两个步骤：用来实现粗对准的代码捕 获和用来实现精细对准的代码相位跟踪。6 更明确地 讲，GPS接收机必须首先确定它对某颗卫星是否具有 视距上的可视性。我们知道，每颗卫星都由唯一的 C/A码来区分。当卫星可视时，由捕获过程判断信号 的频率和代码相位，然后确定相应的解调参数。由于 存在多普勒效应，根据卫星相对于接收机的速度，接 收信号的频率一般会偏移标称值5kHz到10kHz。
在接受器端，GPS信号首先被下变频到同向和正交 （I和Q）分量信号。再由一对I-Q相关器将I/Q基带信号 与本地PRN序列进行相关运算。经过一个比特周期的 积分后，I-Q相关器的输出被累加起来以提供输出判定变量。
只要判定变量超过一定的门限，系统就认为成功地实 现了捕获，继而进入跟踪模式。否则，就通过调节本 地PRN序列的相对相位和振荡器频率，来更新判定变 量，并重复上述过程。
串行搜索方法的简单逻辑结构使它非常适合用ASIC 实现，而用软件实现就不切实际了，因为搜索空间非 常大。假设系统允许500Hz的载波频率偏移，多普勒 频率是10kHz，软件实现需要的搜索空间大概为 2 x （10，000/500） x 1023 = 40，920。很明显，用软件实现串行搜索捕获比较困难。
另外一种更简单的软件捕获方法叫做频域并行代码相位捕获。这种方法将多普勒频率和代码相位搜索合并起来，在经过PRN码的快速傅立叶变换（FFT）后，将所有代码相位信息转换到频域内。这样我们只需要搜索多普勒频移上的空间即可，因此这是一种快速高效的软件搜索方法。
首先，将输入信号与本地正弦和余弦载波（同向I和正交Q信号分量）分别相乘。然后把I和Q分量合并成一个复合信号输入到FFT模块。傅立叶变换的结 果再和PRN码的FFT变换结果相乘（PRN生成器产生代码相位为零的代码）。实际上，FFT运算和PRN码的产生可以采用列表的方法，以降低运算的复杂 性。
利用MAX2769 GPS接收机RF前端芯片，简单的USB DONGLE或PCI Express？（PCIe？）迷你卡就可以为膝上型 PC增加低成本的GPS 功能。MAX2769将接收到的原 始数据传输到PC主机，PC主机利用软件实现基带解 码，从而省去了单机GPS系统所需要的基带ASIC的成 本。简单的说，MAX2769使设计人员可以利用单芯 片实现GPS和Galileo系统信号处理的适配器。 本文给出了GPS系统的工作状态概述，并详细描述了 Maxim的基于软件的GPS接收机方案。
GPS信号发生器
GPS系统包含24颗空间卫星或空间运载器、地面控制站以及用户设备（接收机）。对于民用GPS和Galileo系统，这些卫星通过频率为1.57542GHz的L1波段进行通信。3 GPS 接收机必须捕获到至少四颗卫星的信号才能进行可靠 定位，信号捕获和跟踪非常复杂，因为每颗卫星和接 收机的位置时刻都在变化。
GPS系统实际上是一个简单的扩频通信系统。4 图1提 供了一个民用GPS系统的信号发生电路。首先，50bps 的导航信息重复20次，形成1000bps的比特流。然后 这个重复信号被长度为1023码片（伪随机噪声（PRN）码的码速） 的唯一粗/ 捕获码（ C / A ） 进行扩频， 形成 1.023Mcps的基带信号。此用这种扩频方法后，43dB 大小的GPS系统的总处理增益（G）可以很好地恢复比 热噪声电平低得多的信号。
每颗卫星都有唯一的C/A码或者说Gold码。5 由于具有 很好的自相关和互相关性，Gold码被广泛用于各种 CDMA通信系统，如WCDMA和cdma2000？。基带信 号经过二元相移键控（BPSK）调制后被上变频到L1波 段进行传输。
图1. 民用GPS信号发生器采用扩频技术发送信号。
信号取样方法分析
因为GPS是一种CDMA通信系统，所以作为解调数据 的先决条件，接收机必须与PRN码进行同步。实现代 码同步通常需要两个步骤：用来实现粗对准的代码捕 获和用来实现精细对准的代码相位跟踪。6 更明确地 讲，GPS接收机必须首先确定它对某颗卫星是否具有 视距上的可视性。我们知道，每颗卫星都由唯一的 C/A码来区分。当卫星可视时，由捕获过程判断信号 的频率和代码相位，然后确定相应的解调参数。由于 存在多普勒效应，根据卫星相对于接收机的速度，接 收信号的频率一般会偏移标称值5kHz到10kHz。
在接受器端，GPS信号首先被下变频到同向和正交 （I和Q）分量信号。再由一对I-Q相关器将I/Q基带信号 与本地PRN序列进行相关运算。经过一个比特周期的 积分后，I-Q相关器的输出被累加起来以提供输出判定变量。
只要判定变量超过一定的门限，系统就认为成功地实 现了捕获，继而进入跟踪模式。否则，就通过调节本 地PRN序列的相对相位和振荡器频率，来更新判定变 量，并重复上述过程。
串行搜索方法的简单逻辑结构使它非常适合用ASIC 实现，而用软件实现就不切实际了，因为搜索空间非 常大。假设系统允许500Hz的载波频率偏移，多普勒 频率是10kHz，软件实现需要的搜索空间大概为 2 x （10，000/500） x 1023 = 40，920。很明显，用软件实现串行搜索捕获比较困难。
另外一种更简单的软件捕获方法叫做频域并行代码相位捕获。这种方法将多普勒频率和代码相位搜索合并起来，在经过PRN码的快速傅立叶变换（FFT）后，将所有代码相位信息转换到频域内。这样我们只需要搜索多普勒频移上的空间即可，因此这是一种快速高效的软件搜索方法。
首先，将输入信号与本地正弦和余弦载波（同向I和正交Q信号分量）分别相乘。然后把I和Q分量合并成一个复合信号输入到FFT模块。傅立叶变换的结 果再和PRN码的FFT变换结果相乘（PRN生成器产生代码相位为零的代码）。实际上，FFT运算和PRN码的产生可以采用列表的方法，以降低运算的复杂 性。
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