基于SOPC实现扩频信号捕获与跟踪

摘要：本文提出利用FPGA内的嵌入式软核NiosII代替专用DSP处理器和通用控制器，在单片FPGA内实现扩频信号的捕获与跟踪。由于NiosII和外部接口随用户自己配置，使得这种模式重构性好，且避免了PCB板复杂的布线，大大降低了硬件的复杂度。本文详细阐述了这种方法的总体设计方案和详细软硬件的实现过程，最后给出了实时GPS信号捕获跟踪的结果。

关键词：导航；扩频接收机；SOPC；嵌入式软核；NiosII

中图分类号：TN791文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 01-0000-02

SOPC-based Implementation of Spread Spectrum Signal Acquisition and Tracking

Du Li

(Inner Mongolia Normal University,Hohhot011517,China)

Bstract:This paper make use of FPGA embedded within the soft-core processors instead of special DSP processor and common controller.In a single FPGA to achieve spread spectrum signal acquisition and tracking.

And external interfaces with the user's own configuration,making the reconstruction of this model is good,and the PCB board to avoid the complex wiring and greatly reduce the hardware complexity.This paper describes the overall design of this method and the detailed hardware and software implementation process,given the real-time GPS signal acquisition and tracking results.

Keywords:Navigation;DSSS receiver;SOPC;NiosII

随着超大规模可编程器件（FPGA）的飞速发展，使得在单片FPGA上集成一个复杂系统（SOPC）成为现实。传统扩频接收机中对信号的捕获与跟踪一般采用FPGA+DSP的实现方案，这种方法模式固定，重构性差，同时这种方案还有研发成本高、硬件难度大，终端设备体积相对较大等缺点。本文提出利用FPGA内的嵌入式软核NiosII代替专用DSP处理器和通用控制器，在单片FPGA内实现扩频信号的捕获与跟踪。文中给出了这种实现的总体方案，详细分析了该模式下的匹配滤波器、相关器、载波跟踪环和码跟踪环设计和实现方法，最后给出这个方法对实时的GPS的捕获跟踪结果。实际表明，这种模式下能对扩频信号进行实时捕获跟踪，相对利用FPGA+DSP模式实现的扩频接收机，它具有可重构性好，同时减小了接收机体积，降低了开发难度，缩短了开发周期。结果表明，这种方法能完成扩频信号的实时捕获与跟踪。

一、基于SOPC的扩频接收机方案设计

总体实现方案框图如图1所示，FPGA内部主要分为逻辑部分和嵌入式处理器部分，逻辑部分主要包括有1024阶的匹配滤波器，多通道相关器、时标产生器、接口控制、串口控制器等，嵌入式处理器选用NiosII标准型。两部分相互匹配完成扩频信号的捕获和跟踪。下面将详细介绍各部分的设计方法和实现。

二、匹配滤波器

匹配滤波器的硬件结构如图2所示，它完成解调后的中频信号和本地码的卷积运算。卷积运算有交换率，相应的匹配滤波器在实现上分为横向结构和纵向结构。纵向结构是比较直接的实现方法，解扩后的中频信号在延迟线上流动，本地测距码作为滤波器的抽头系数，这种实现方法需求存储量大，降采样算法复杂，并且最大预检测积分时间受匹配滤波器约束。本文设计采用横向结构，它让测距码在延迟线上流动，并行相关阵列中共有1024个相关节，每一节对应一个码片周期的延迟，可一次完成1024个码相位的搜索。

因匹配滤波器占用资源很大，故所有通道共用一个匹配滤波器。匹配滤波器在使用前通过软件设置将其与一个通道的相关器连接，连接后通道相关器产生的本地测距码和本地载波都送给匹配滤波器。如果信号落在匹配滤波器的某个相关节上，则此节积分结果的幅度相对与其它节较大，软件通过一定的算法判断信号是否被捕获。当该通道完成信号的捕获后应该释放匹配滤波器供其它通道调用。

三、相关器通道

相关器结构如图3所示，它的功能一是产生本地载波和本地测距码对中频信号进行解调解扩，从而可以根据积分结果解调出导航电文，二是根据时标产生器产生的伪距测量信号锁存本地测距码的状态和本地载波产生器的状态，从而进行伪距的测量。为了使设计能有一定的抗多径干扰的能力以及能对BOC码进行跟踪，采用VE-E-P-L-VL五个相关臂的结构，每个相关臂相差1/4个码片，这样做的好处在于可以任意选择相关距为1/4码片或1/2码片。相关器中还设置了预检测积分时间控制逻辑，可由软件随意设置预检测积分时间，以便处理不同信噪比下的信号。

四、NiosII内核

采用32为标准型NiosII软核，配置的有Jtag_Uart，SRAM控制器，串口，Flash等，主要功能由软核内的中断子程序和任务完成，中断程序主要功能是对匹配滤波器和多通道相关器输出进行处理，实现扩频信号的捕获与跟踪。串口显示由任务来完成，主要显示捕获和跟踪的结果。其捕获流程图如图4所示。

首先程序启动对NiosII软核进行初始化，包括打开中断，创建任务等，初始化串口等。其次将匹配滤波器和通道连接、设置积分时间并等待灌码完成，中断到来后首先检测匹配滤波积分是否完成，若完成则进行捕获，捕获采用M取N的算法，若确认捕获则结束本通道的捕获，转入跟踪，否则更换载波频点重复上述过程。

图5显示了程序跟踪框图，当本通道捕获后，本通道转入跟踪，NiosII软核与逻辑部分的通信仍然采用中断-查询方式，即在中断到了时查询本通道积分是否完成，若积分完成则读取积分输出并启动码跟踪环与载波跟踪环。

为了能够实时的观测程序大致的运行情况，NiosII启动一个任务用来显示程序运行中间结果如载波频率、码频率、载波和码信号能量，信噪比等。其程序流程图如图6所示。

五、结论

本文研究了利用SOPC技术实现扩频接信号的捕获与跟踪，详细阐述了其方案和具体实现，给出了这种方法下捕获与跟踪的结果。从实际运行结果可以看出，该方法能够完成扩频信号的实时捕获与跟踪。相对与利用FPGA＋DSP模式实现的扩频接收机，它具有体积小、成本低、重构性好等优点，同时缩短了开发周期、大大降低了硬件开发难度。

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