基于PCI9820和GP2015的GPS信號采集與頻

　　1 引 言

　　典型GPS接收機主要由4部分組成：天線、射頻前端、相關器和導航解算模塊。為保證GPS接收機的實時處理，關鍵的基帶信號處理模塊――相關器一般由專用集成電路來實現。對于軟件GPS接收機，其射頻前端模塊仍由硬件實現，基帶處理由軟件實現，其軟件平臺可以是數字信號處理器 (DSP)，也可以是通用PC機。采集真實GPS信號，把數據存在普通PC的硬盤上，利用PC豐富的軟硬件資源進行軟件接收機設計開發，是當前GPS接收機發展的一個活躍的方向。為保證采集GPS數據的有效性，要綜合考慮的指標包括采樣率、量化位數、數據連續完好性等指標，這是選擇數據采集系統的依據。

　　本文介紹了一種基于PCI?？偩€的數據采集系統，利用ADLINK公司生產的PCI9820數據采集卡，實現對ZARLINK公司的射頻模塊GP2015輸出的中頻GPS數據的采集，數據存到硬盤上，以便后續的GPS基帶信號處理以及定位解算工作。數據采集處理系統框圖如圖1所示。

　　2 PCI9820數據采集卡介紹

　　PCI9820 是一塊高速、高分辨率、高容量的PCI總線數據采集卡，配備兩路模擬輸入端，具備同步采集的功能。它提供60 MHz的內部時鐘基準，內部時鐘基準下，當兩組模擬輸入同時工作時，最高采樣率為60 MS/s，而外部鐘基準下可達到65 MS/s;而當選取一路模擬輸入，若啟用“乒乓”模式，內部時基下采樣率高達120 MS/s，外部時基下采樣率可以達到130 MS/s。

　　PCI9820 具備14 b的分辨率，14 b的A/D分辨率使得PCI9820在時域和頻域應用方面較為理想。輸入的范圍可由軟件選擇，提供-1～1 V或是-5～5 V兩種范圍。輸入阻抗可以通過手動跳線位于板卡背面的J6和J7，提供兩種選擇，分別為50 Ω和1 MΩ。

　　PCI9820 可以提供多樣的觸發選擇，觸發源包括軟件觸發、模擬觸發與數字觸發。模擬觸發功能提供多種觸發條件的選擇，數字觸發則提供上升沿觸發與下降沿觸發兩種選擇?？色@得的觸發模式有后觸發、預觸發、延時觸發和中間觸發。對于有極短暫間隔的連續觸發事件，可以用重復觸發模式獲取數據。在應用多卡同步功能時， PCI9820可以接受來自于SSI接VI及外部SMB接口的5 V/TFL數字觸發信號，并且多卡共用時鐘及觸發信號。

　　PCI9820延續凌華在DAQ-2000系列上的設計，提供自動校正功能，使用者只要通過一個軟件指令，就可以激活PCI9820上的自動校正功能，完成模擬輸入信道的校正工作，不需要任何繁雜手工操作。

　　PCI9820 在數字設計方面，采用標準的SODIMMSDRAM來儲存資料。因為PCI9820的單一信道所產生的數據流，已超過了33 MHz、32 b PCI總線的頻寬，所以數據在傳輸到計算機之前都記錄在板載SDRAM中，然后再通過總線控制DMA傳輸到主機內存中。當數據的速度超過PCI總線帶寬時，板卡上的內存容量相對就顯得重要。PCI9820的標準版本配備64 MB的內存，最高可支持到512 MB，可提供單一信道采集頻率達130 MS/s時，長達數秒的儲存空間。如果板卡的數據輸出小于PCI帶寬，PCI9820可以配置板載3k采樣數量的FIFO旁路SDRAM，完成直達主機內存的實時數據傳輸。在一個多用戶或者多任務操作系統中，單獨分配一塊大的連續的內存用于DMA傳輸是很困難的，所以PCI9820提供了聚散DMA功能，它能把分散的內存塊連接成一個互連的表列，從而可以不受分散小容量內存塊的影響實現大容量數據傳輸。其結構框圖如圖2所示。

　　3 GPS射頻芯片GP2015簡介

　　GP2015 是ZARLINK公司生產的TQFP封裝的小型射頻前端芯片。GP2015提供一個低功率、低成本和高可靠性的GPS射頻前端解決方案。GP2015包括一個片上合成器、混頻器、自動增益控制(AGC)和一個提供符號和量級數字輸出的量化器，構成一個完整的GPS接收機射頻前端電路僅需要極少的外部元件?？梢耘c12信道GPS相關器GP2021或者GP4020等GPS基帶處理器配套使用，適合C/A代碼全球定位的衛星接收機、時間標準、導航和測量的應用。

　　射頻前端主要由GP2015芯片及外圍濾波電路構成。GP2015的輸人信號是自天線下行，經前置放大器濾波、放大后的GPS信號 (L1波段為1 575.42 MHz)作為輸入信號與鎖相環頻率合成器產生的第一本振信號(1.4 GHz)混頻，經濾波得到差頻信號(175.42 MHz)。該信號與第二本振信號(140 MHz)混頻，經過聲表濾波器中心頻率選擇得到差頻信號(35.42 MItz)。該信號隨后進入中頻信號主放大器，這一部分由兩個AGC(自動增益控制)放大器和三級變頻器組成。信號首先經過AGC放大，然后與第三本振信號(31.11 MHz)混頻，經過低通濾波器選出中頻信號(4.309 MHz)。該中頻信號一路送往片內A/D轉換器，一路送往管腳1供測試使用。

　　在片內該中頻信號隨后進入A/D轉換器進行2 b量化后，模擬信號轉換為二位數字信號――符號和模(SIGN和MAG)，分別表示輸出信號的極性和幅度值，它們來自于中頻模擬信號通過比較器比較之后實時輸出的比較結果。比較結果的輸出被基帶相關器提供的時鐘信號(5.714 Mttz)鎖定，鎖定后使4.309 MHz的信號變頻到1.405 MHz的數字信號。該數字信號輸出給基帶處理器做進一步處理。

　　這里使用的是GP2015第一管腳的4.309 MHz的模擬中頻信號，送到PCI9820數據采集卡，按照一定采樣率，采集得到數字中頻GPS信號。

　　用GP2015 構建射頻模塊還包括外圍濾波器的設計，射頻濾波器的作用是濾除帶外干擾，特別是濾除1 224.58 MHz的鏡像噪聲，避免射頻前端第一級混頻器過載。該濾波器還有助于對900 MHz的移動電話所帶來的干擾進行濾除。射頻濾波器引入的插入損耗需要由LNA前置低噪放大器做出補償。具體細節可參考手冊及文獻[5-7]。

　　4采樣方案及信號頻譜分析

　　4.1 采樣方案

　　GP2015 輸出4.309 MHz的模擬中頻信號，而GPS的C/A碼帶寬為2.046 MHz，因此GPS信號所占頻帶為3.286～5.332 MHz，中頻信號的最高頻率為fH=5.332 MHz。按照Nyquist低通采樣定理，當采樣頻率fs≥2fH時，就能夠從采樣后的數據中無失真地恢復出原來的信號，信號在時域的采樣等效于在頻域的周期延拓，使fs≥2fH就是為了保證采樣后的信號頻譜不重疊，因此可知采樣頻率最低為fs=10.664 MHz。但采樣頻率越高，后端數字基帶處理的數據處理量就越大，對實時處理GPS信號帶來了困難。所以工程實際中經常使用帶通采樣技術，降低采樣率，有利于簡化硬件、降低成本，同時減輕后續數據處理的壓力。

　　對于GPS中頻帶通信號，其帶寬為B=2.046 MHz，只要取fs≥2B的某些值，就可以保證采樣后的信號頻譜不重疊。這種采樣方式就稱為帶通采樣(Band-Sampling)，又叫欠采樣(Under-Sampling)，帶通采樣頻率fs可由下式確定：

　　其中，fH是帶通信號的最高頻率，fL是帶通信號的最低頻率，n為整數，取值范圍為2≤n≤fH/(fH-fL)。

　　對于這里的GPS中頻信號，fH=5.332 MHz，fL=3.286 MHz，由式(1)可得：

　　當n=2時，fs范圍：5.332 MHz≤fs≤6.572 MHz，因此在工程實際中，與GP2015配套的基帶芯片GP2021(GP4020)提供的采樣時鐘頻率為5.714 MHz，欠采樣得到1.405 MHz的數字中頻信號。

　　PCI9820 采集卡的內部時鐘基準為60 MHz，可在軟件中設定對其進行整數比率的分頻，即fs=60/n，n為整數，我們取n=10，得到采樣頻率fs=6 MHz，按此頻率對GPS中頻信號采樣得到1.691 MHz的數字中頻信號。實驗中還采用低通采樣頻率fs=12 MHz進行對比實驗。

　　4.2 PCI9820雙緩沖數據采集模式

　　在DOS 環境下，一次DMA或中斷方式采集數據通常不能超過640 kB。在Windows環境下，一次DMA的數據量依賴于板卡的PCI控制芯片的尋址范圍和系統物理內存大小，雖然可能很大但仍無法實現較長時間實時數據采集功能，而PCI9820提供的雙緩沖模式可以解決這一問題。

　　雙緩沖一個是循環緩沖，一個是用戶緩沖。循環緩沖又分成兩個部分。采集的數據先寫入循環緩沖區，當半滿時，循環緩沖區的前半部分寫入到用戶緩沖區中。采集的數據繼續向循環緩沖區的后半部分寫入。當循環緩沖區全寫滿時，循環緩沖區的后半部分數據再寫入用戶緩沖區中，此時，采集的數據會繼續寫入循環緩沖區的前半部分。如此反復，每半滿一次，循環緩沖區的前或后半部分就會被寫到用戶緩沖區中去，從而達到連續高速采集的功能。值得注意的是，雙緩沖方式涉及到內存的頻繁讀寫，因此當采樣速率很高或是系統任務很繁忙的時候，可能會出現數據丟失現象。具體程序設計可參考例程和文獻[3，4]。

　　4.3 采樣信號分析

　　按照前面介紹的采樣頻率方案以及PCI9820的雙緩沖數據采集模式，我們對GP2015的中頻信號進行采集，數據存在計算機硬盤上，在Matlab軟件平臺下對這些數據進行時頻分析，并進行捕獲跟蹤處理。

　　結果表明當采樣頻率為6 MHz和12 MHz時，數據連續可靠，為后續軟件基帶處理提供了真實可靠的數據。圖3，圖4分別為采樣頻率為6 MHz和12 MHz的信號頻譜圖，圖5為以6 MHz進行采樣的數據進行相關捕獲運算，得到的9號衛星捕獲結果圖，表明數據完好可用。

　　5 結語

　　利用PCI9820高性能數據采集卡和GP2015射頻模塊構建的GPS數據采集系統，利用該系統實現了對GPS信號長時間連續采集，并對數據進行了分析處理，結果表明數據連續完好，可用于后續基帶處理，實現了軟件GPS接收機，也為其他帶通信號的采集處理提供了參考。