基于FPGA开发板的GPS模拟器数据采集验证设计方案

引言

全球定位系统（Global Position System, GPS）能够提供实时、全天候、全球性和高精度的服务，广泛应用于各行各业中。GPS接收机通过天线单元接收卫星信号，经过一系列处理，得到数字中频信号，进而对中频信号进行捕获、跟踪，解调出用户的纬度、经度、高度、速度、时间等导航信息。近年来，现场可编程门阵列（FPGA）凭借其开发过程投资少、设计周期短、灵活方便以及可反复编程等特点，在现代电子设计中得到了广泛应用。本文详细介绍基于FPGA开发板的GPS模拟器数据采集验证设计方案，并讨论主控芯片的型号及其在设计方案中的作用。

系统总体设计

整个系统分为前端射频部分和基带处理部分。前端射频部分完成信号接收、滤波、AD转换等；基带部分完成GPS信号的解调、解扩、实现信号的跟踪和捕获。

1. 前端射频部分

• 天线单元：接收卫星信号。

• 带通滤波器：对接收到的信号进行滤波，去除杂波。

• 下变频混频器：将射频信号转换为中频信号。

• AGC放大器：自动增益控制，确保信号强度适中。

• A/D转换器：将模拟信号转换为数字信号，供后续处理。

2. 基带处理部分

• FPGA开发板：实现GPS信号的捕获、跟踪和解调。

• ARM处理器：作为主控芯片，管理数据流和控制逻辑。

• 存储单元：存储中间数据和程序代码。

• 接口模块：包括UART、SPI、GPIO等，用于与其他设备通信。

主控芯片型号及其作用

1. FPGA芯片

• 信号捕获和跟踪：通过算法实现GPS信号的捕获和跟踪，确保信号的稳定接收。

• 数据处理：对采集到的数据进行处理，包括滤波、解调等。

• 控制逻辑：控制整个系统的运行流程，协调各部分的工作。

• 型号：Altera公司Stratix III系列的EP3SL-150F1152C3

2. ARM处理器

• 系统管理：作为主控芯片，管理数据流和控制逻辑，确保系统稳定运行。

• 接口管理：通过UART、SPI等接口与其他模块进行通信，传输数据和控制命令。

• 软件支持：提供丰富的软件支持，包括操作系统、驱动程序等，方便开发和调试。

• 型号：Samsung的S3C2410

数据采集与验证方案

1. 数据采集

• GPS模拟器：模拟卫星发射的GPS信号，包括L1 C/A码信号。

• FPGA开发板：通过ADC对GPS模拟器的信号进行采集，得到数字中频信号。

• 采样率：设置为25MHz，以确保足够的带宽和精度。

• 采集时间：至少几毫秒，确保能够采集到足够的信号点数，用于后续处理。

2. 数据验证

• 频谱分析：通过FFT算法对采集到的信号进行频谱分析，确认中频信号的位置和带宽。

• 捕获验证：采用FFT-IFFT方法，对各个PRN码进行捕获验证，确认信号是否存在峰值以及多普勒频点的位置。

• 频偏控制：通过算法上的捕获，确认GPS模拟器和FPGA开发板两个时钟系统的频偏是否在可接受的范围（-5KHz ~ 5KHz）。

详细设计步骤

1. FPGA设计

• 射频模块设计：利用频率合成器、混频器、滤波器和衰减器等器件进行射频电路设计，将GPS信号由中频搬移到射频上，通过滤波器滤波，经可调衰减器调整功率后输出GPS射频信号。

• 频率合成器：采用ADF4360-4，为混频器提供本振信号。通过可编程5位A计数器、13位B计数器及双模前置分频器（P/P+1）共同确定主分频比，输出频率为1563.6098MHz的本振信号。

• 基带/中频模块设计：利用FPGA芯片产生GPS导航电文（D码）、C/A码、数字中频载波，对它们进行基带调制、扩频调制输出GPS数字中频信号。

• 调制原理：主要由C/A码模块、D码模块、DDS模块和调制模块等组成。C/A码模块产生速率1.023MHz的C/A码序列；D码模块产生速率50Hz的导航电文；DDS模块产生速率12.5MHz的数字载波信号；调制模块对C/A码、D码和载波信号进行扩频调制和BPSK调制，输出12.5MHz的GPS数字中频信号。

• 数字电路部分：

• 模拟电路部分：

2. ARM处理器设计

• UART接口：用于与上位机进行通信，传输数据和控制命令。

• SPI接口：用于与外设进行通信，如存储芯片、传感器等。

• GPIO接口：用于控制外设的开关状态，如LED灯、蜂鸣器等。

• 时钟管理：产生FPGA内部时钟，并通过电路板送到ARM7芯片，确保时钟同步。

• 数据管理：管理数据流，包括从FPGA接收到的数据和向外发送的数据。

• 系统管理：

• 接口管理：

3. 软件设计

• FPGA编程：使用VHDL语言编写FPGA的初始化设置和数据处理算法。

• ARM编程：使用C语言编写ARM处理器的控制逻辑和数据管理算法。

• 调试工具：使用ADS1.2作为软件调试工具，通过JTAG接口进行下载和调试。

4. 系统验证

• 功能验证：通过实际测试，验证系统的各个功能是否满足设计要求。

• 性能验证：测试系统的性能指标，如捕获时间、跟踪精度等。

• 稳定性验证：长时间运行系统，观察是否稳定可靠。

实验结果与分析

1. 频谱分析结果

   通过FFT算法对采集到的信号进行频谱分析，确认中频信号的位置在1.42MHz左右，带宽满足要求。

2. 捕获验证结果

   对各个PRN码进行捕获验证，确认信号存在峰值，多普勒频点的位置在-500Hz到1KHz之间，符合设计要求。

3. 频偏控制结果

   通过算法上的捕获，确认GPS模拟器和FPGA开发板两个时钟系统的频偏在-5KHz到5KHz之间，满足设计要求。

结论

本文详细介绍了基于FPGA开发板的GPS模拟器数据采集验证设计方案，包括系统总体设计、主控芯片型号及其作用、数据采集与验证方案以及详细设计步骤。实验结果表明，该方案能够有效地采集和验证GPS模拟器数据，满足设计要求。通过FPGA和ARM处理器的协同工作，实现了GPS信号的捕获、跟踪和解调，为后续的导航定位功能提供了可靠的基础。

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