室内GPS中频信号的数字化采集设计

室内GPS中频信号的数字化采集设计
贾志宏;崔晓伟
【摘要】介绍了一种ICS公司生产的高速数据采集卡ICS554在室内GPS中频数据采集中的典型应用.采集后的信号经过PCI总线模块后,数据被上传到PC机进行数据存储,实现了室内GPS中频信号的数字化采集.实验结果表明,室内外两路天线的设计有利于适合室内环境下的需求,同时通过PCI总线可以将采集数据实时高速地传输到PC机,有助于后续对室内信道特性的数据建模和研究.%A typical application of high speed data acquisition card ICS554 produced by ICS corporation in indoor GPS IF (intermediate frequency) signal digital collection is introduced. The output signal after PCI bus module, data are uploaded to PC and storage, realize the indoor GPS signal of IF digital collection. Experimental results show that design of inside and outside antennas is suitable for indoor environment, and can transmit highspeed real-time acquisition data to the PC through PCI bus and help to follow-up data modeling and research on indoor channel characteristic.
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2012(012)027
【总页数】5页(P7031-7035)
【关键词】ICS554采集卡;室内GPS信号;PCI总线;天线
【作者】贾志宏;崔晓伟
【作者单位】清华大学电子工程系,北京100084;清华大学电子工程系,北京100084
【正文语种】中文
【中图分类】P228.4
GPS信号在室内传播时遭受到严重多路径和信道衰落的影响。

为了实现对室内信道衰落等特性的建模，首先要解决的是采集室内原始GPS信号的问题。

室内GPS 信号极其微弱，以GPS IIR-M型卫星为例，GPS的C/A码到达地面的最小信号功率为－158.5 dB·W［1］。

文献［2］也提到，在室内定位需要捕获－160～－200 dB·W范围内的GPS信号。

为了完成后续室内信道测量，单独采集如此微弱的室内GPS信号，需要设计极为复杂的捕获算法。

文献［3］中提到，GPS接收机差分相干捕获算法在不需辅助数据的情况下能在200 ms内捕获到－177 dB·W 的GPS信号，但该算法也有一定的错误捕获概率。

为达到实时无误采集处理室内GPS微弱信号的目的，本文提出增加一路室外GPS参考信号辅助捕获跟踪室内GPS信号的方案。

室内和室外的GPS原始数据被同步采集和处理，室外参考信号处理得到的捕获和跟踪数据可以向室内信号提供误差较小的近似载波多普勒、码相位等相关参数，另外加上对导航电文的剥离，可以突破相干捕获算法积分时间不超过20 ms的累加限制，非常有利于室内GPS微弱信号的采集与处理。

1 系统总体构架
整个采集系统由射频信号接收、中频数字化处理以及PCI传输三部分组成。

卫星信号由天线接收下来后，经射频信号接收单元降频、放大、去噪，传输到中频数字化处理单元采样转化为数字信号，然后由FPGA模块解调、下变频到基带，最后数据经PCI总线传输到PC机进行频谱分析、建模仿真等。

如图1。

1.1 射频信号接收单元
如图2所示，天线接收到GPS卫星信号，经过射频信号调整、下变频混频以及中
频信号滤波放大，GPSL1信号频率由1 575.42 MHz下变频到中频，再经过低通
滤波就进入中频数字化处理阶段。

GPS接收机中各级电路内部噪声对级联后总噪
声系数的影响各有不同，但级数越靠前对总噪声系数影响就越大，总噪声系数主要取决于最前面几级电路的噪声系数，因此前置滤波器在L1信号1 575.41 MHz频率附近至少应保证C/A码的2 MHz频谱位于滤波器的通带内，以保证信号的完整性，并且滤波器的通带响应该平稳以保证信号的稳定性。

因此，前置滤波器需要选择具有低噪声特点的带通滤波器滤除带外噪声。

声表面波带通滤波器(BPF)，通带
响应平稳，并且通带边缘陡峭，对于处理微弱GPS信号，可以滤除GPS波段之外的各种干扰和噪声。

图1 系统总体构架
图2 射频信号接收单元
1.2 中频数字化处理单元
根据GPS信号室内传播特性，本文设计了基于ICS554采集卡的室内GPS中频信号数字化采集平台。

ICS554采集卡是具有PCI总线接口的四通道高速数据采集卡，如图3，可以同时对四路模拟信号进行14 bit精度，30—80MSPS采样速率的采
样处理。

采样时钟可以由内部或外部提供。

对于原始采样数据，用户可以选择是否利用卡上的可编程逻辑资源进行处理。

原始数据或者处理后的数据可以通过64
bit/66 MHz的PCI总线传输到PC机。

本文采集平台主要借助了ICS554中AD6645、FPGA以及FIFO功能模块，在充
分发挥采集卡本身硬件的同时，增强了伪码解算、跟踪以及信号解调等设计的灵活性。

如图4所示。

1.2.1 AD6645的结构和特点
图3 ICS554采集卡实物图
图4 数字化采集平台框架图
AD6645是一款具有14位精度、4通道以及每通道最大采样率高达105 MHz的
A/D转换芯片，是当前用于中频数字处理的优选器件。

采用3级子区式转换结构，这种设计的好处是既保证了转换的精度和速度，又实现了较小的功耗和封装尺寸。

输入信号带宽可达50 kHz～200 MHz;双音无杂散动态范围(SFDR)为100 dB;典
型的信噪比74.5 dB;工作带宽270 MHz;数字输出可工作在3.3 V电源上，方便与数字ASIC接口;数字采样输出为二进制补码格式等。

AD6645的信号输入方式采
用两路差分输入，可实现采样部分与FPGA相结合，而采样频率由外部时钟控制。

AD前端驱动目的是使采样信号参考电平与AD6645的模拟信号输入参考电平达
到一致。

AD前端驱动、采样处理及FPGA关系如图5所示［4］。

1.2.2 FPGA中实现的功能和优化设计
图5 AD前端驱动、采样处理及FPGA关系图
在XILINX公司的ISE9.1开发环境中，选用顶层设计方式，通过verilog语言编写FPGA内部程序，完成正交数字下变频，数字低通滤波以及PCI总线配置等设计和优化，最终实现下变频到基带的信号被送入终端处理PC机中。

1.2.2.1 正交数字下变频(QDDC)
基于正交混频的数字下变频器与模拟下变频器类似，包括数字混频器、数字控制振荡器(NCO)和抽取滤波器3部分(如图6)。

从A/D转换器中输出的数字中频信号与本地NCO产生的正弦/余弦信号相乘，相乘结果分为I、Q两路信号。

两路信号分别经过抗混叠滤波以及数字抽取，数据流速率降低为基带的信号输出到FIFO。

通
过配置PCI总线，调整基带数据输出格式，如并行/串行、实数型/复数型、定点/
浮点等。

实验模拟信号中频频率18.414 MHz，带宽10 M，采用100 MHz采样，经过正
交数字下变频到基带，经数字抽取到10 MHz。

C/A码信号频谱主峰宽只有2.046 MHz，数字采样率最终选用10 MHz，是为了保留更多有用信息，提高频率分辨率，利于观察多路径的影响。

图6 基于正交混频的数字下变频模型
1.2.2.2 数字低通滤波器
数字低通滤波能提高信噪比，抑止杂波和镜像频谱。

数字低通滤波器采用等波纹最佳一致逼近法设计。

根据要求设计的FIR低通滤波器如图7所示。

滤波器的指标如下:
通带:BW=5 MHz;过渡带:3 MHz;
阻带衰减:≥－50 dB;滤波器阶数:64阶。

图7 数字FIR低通滤波器
1.3 PCI传输单元
PCI总线是一种即插即用的高性能总线标准，支持线性突发模式，速度快，存取延误极小，能独立于CPU同步工作，在高性能计算机和外围设备中得到了广泛的应用。

本文中的PCI传输单元采用PCI驱动芯片QL5064，它是ICS554上一款支持64位66 M总线标准的PCI桥芯片，符合PCI v2.2规范，其最大突发传输速率可达528 Mbps。

PCI核由控制器和FIFO组成，可实现零等待的突发传输以及本地总线时钟和PCI总线时钟的异步操作，支持主模式、从模式和DMA传输三种模式。

FPGA处理后的基带数据先传输到缓存FIFO中，缓存FIFO大小为64 K×72 bit。

待缓存FIFO写满后发出中断给PC机程序，pc机程序接收到FIFO的满中断就开始以DMA数据传输模式传输数据，DMA设置传输数据大小也为64 K×72 bit。

当数据传输完毕时停止DMA传输，FPGA检测到FIFO空信号后又继续读取64 K×72 bit的数据存入缓存FIFO，重复之前的操作直到PC机读完FPGA中所有数据，PC机程序停止读操作。

我们使用微软公司的程序编程软件VC2005，通过应用程序接口(API)来控制和访问硬件，达到读取数据的目的。

ICS公司对应用程序接口做了性能优化，提供了“ICS554Api.h”的头文件以及软硬件开发常用的功能代码，有效加强了开发和调试代码的能力。

PC机程序首先通过调用Win32函数Cre-ateFile()来获得ICS554采集卡驱动程序的句柄hDevice，然后用Win32函数中
ics554LocalControlSet(hDevice)等函数来提交板卡I/O控制代码和相关输入输出缓冲区到驱动程序。

2 数据存储与实验仿真
因为PCI总线的传输速率和电脑硬盘读写速率不匹配，为实现实时采集，不间断读写，PC机读操作程序采用了乒乓操作的方法［5］。

如图5所示。

乒乓操作的特点是“输入数据选择单元”和“输出数据选择单元”按乒乓节拍互相配合，将经过缓冲的数据流不间断输送到“数据处理单元”进行运算与处理。

通过观察输入输出两端的数据流，发现读、写数据都是连续不断的，因此非常适合对数据流进行流水线式处理，基本实现数据的无缝缓冲与流畅处理。

图8 典型乒乓操作示意图
任意截取1 ms实验数据在matlab中进行仿真。

图9为运用非相关累计捕获算法累计10次捕获到的GPSPRN为29的卫星室内外信号图。

从图中可以看出，室内GPS信号被有效捕获。

3 结论
图9 非相关10次累计的室外信号捕获结果与室内信号捕获结果
实际实验中，室外参考天线距离室内天线不超过30 m，这样做是尽可能保证GPS 信号到达室内外两路天线时室外空间传播阶段带来的时延和多普勒相同。

在利用室外参考天线确保室内GPS信号捕获的前提下，剥离室外影响因素利于后续只针对室内信号传播特性的信道建模。

相对于室外环境，室内环境下GPS信号传播规律
较难描述，现有的GPS信道模型主要针对的是室外环境，真正适合室内环境的GPS信道模型尚未成熟。

本文提出的室内GPS中频信号数字化采集方案，实现了实时、连续采集室内GPS原始信号的目标，满足了室内信道测量与建模对原始数据的要求，也为今后研究室内GPS信号的捕获、跟踪和解调算法等打下了坚实基础。

参考文献
【相关文献】
1 IS-GPS-200D Navstar Global Positioning System Interface Specification:Navstar GPS space egment/navigation user interface.Navstar GPSJoint Program Office，July 2004
2 Peterson B B，Bruckner D，Heye S.Measuring GPS signals indoors Proceedings of the 10th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation(ION GPS1997)，Kansas City，MO，1997:615—624
3 巴晓辉，李金海，陈杰.不需辅助信息的室内GPS信号捕获算法.电子技术应用，
2006;32(9):130—132
4 杨魁.基于AD6645的卫星信号接收处理单元的设计.电子技术，2007;34(9):118—118
5 钱黄生，夏忠珍.基于FPGA双RAM乒乓操作的数据存储系统的研究.科技信息，
2010;(21):89—89。