GPS卫星信号模拟源控制字计算和DSP数据接口

随着4大卫星导航系统的日益增强，卫星信号接收机也在快速发展，卫星信号模拟源的研制开发也随之越来越重要。文中介绍了基于“DSP+FPGA”架构的GPS卫星信号模拟源，可模拟产生多颗卫星信号，并详细描述了模拟源DSP算法中载波和码控制字计算部分，以及DSP的接口设计。文末给出了GPS信号源的定位结果及定位误差，验证了信号源设计的正确性。

【关键词】GPS DSP 控制字 卫星模拟源

1 引言

卫星信号模拟器用来模拟产生实际接收到的卫星信号，从而节约高动态接收机的测试研发成本，以及为接收机测试提供可回放的稳定信号源。卫星信号模拟器研制难点主要集中在卫星和用户相对运动产生的多普勒频率的模拟和用户实际运动轨迹及所处场景的模拟以及接收时刻卫星信号状态参数的准确模拟。本文重点研究多普勒频率的模拟方法和实际DSP与FPGA之间的接口设计细节，并从整体上系统地实现了模拟器的开发与验证。

2 系统总体方案设计

由于模拟产生卫星信号时需要大量的浮点运算以及多通道的特性，所以采用“DSP+FPGA”架构实现卫星信号模拟源。数字信号处理器（Digital Signal Processor， DSP）采用TI 公司高速浮点型处理器TMS320C6713B，现场可编程阵列（Field Programmable Gate Array， FPGA）采用ALTERA CycloneⅡEP2C70F672C8芯片。DSP作为信息处理部分用来实时产生卫星信号的状态参数、控制参数和导航电文，FPGA作为信号处理部分并行处理多颗卫星数据并生成GPS中频卫星信号。如图1所示。

3 DSP模块载波控制字和码控制字的计算方法

系统中，由于卫星和用户的相对运动产生的多普勒频率影响接收机的捕获跟踪性能，通常模拟源采用载波和码控制字的变化来模拟多普勒频率，所以本部分重点介绍控制字的计算方法。

根据载波和码NCO原理，频率控制字的计算方法为求出两个相邻采样点时刻的相位差，该相位差值就是NCO每次所要累加的控制字。实际计算过程如下：

（1）计算初始载波控制字和码控制字

其中，为中频信号频率，为C/A码速率，为采样率，载波NCO和码NCO相位累加器位宽为32位。

（2）分别计算相隔时间T的码传播时间和载波传播时间，记为carrier_old和carrier_new，以及code_old和code_new，传播时间由迭代算法根据各自延时模型计算，则所要修正的控制字为

然后更新carrier_new为carrier_old和code_new为code_old。则DSP中所要发送给FPGA的控制字为：

（3）DSP接收FPGA定时中断信号，在中断程序中重新计算新的载波和码传播时间carrier_new、code_new，重复（2）中的过程计算新的控制字发送给FPGA。

4 DSP与FPGA的接口与数据交互

4.1 DSP与FPGA的接口

DSP与FPGA的数据传输是通过EMIF接口实现的，EMIF是External Memory Interface（外部存储器接口）的简称。

DSP EMIF接口的数据总线ED和地址总线EA以及读写控制信号连接到FPGA IO口。FPGA挂接在DSP EMIF CE2空间，该空间配置为32位异步存储器器件，DSP读写FPGA时按照异步读写时序的要求进行。如图2所示。

4.2 DSP与FPGA的数据交互

DSP向FPGA写数据时，FPGA通过检测地址线来区别不同类型的数据；DSP读FPGA的数据之前，FPGA应该提前准备好数据到数据总线。如表1所示。

在DSP中，根据本地时间和卫星信号传播时间得到信号的发射时刻，从而求出发射时刻卫星信号的状态，包括导航电文起始比特bit、导航电文起始比特所对应的ms数、初始码相位等，这些状态参数和载波控制字、码控制字、导航电文一起发送给FPGA，FPGA根据这些状态参数和控制参数生成相应频率的C/A码和载波，C/A码与导航电文进行扩频调制然后和载波进行BPSK调制生成GPS中频信号。

5 测试结果

本设计通过射频模块发射了5颗GPS卫星信号，可用GPS接收机进行捕获跟踪定位。

使用GPS接收机捕获结果如图3所示。

中频为1.405MHz，从上图可以看出我们所模拟的5颗卫星全部被捕获到，这5颗星都有一定的多普勒值是因为卫星与用户之间的相对运动造成的。

定位结果如4所示。

从图中可以看出高度和实际位置有一定的偏差，主要是由于硬件产生的卫星信号不可避免受到很多干扰，开发板所用的晶振为温补晶振，随着时间变化输出不同的标称频率，影响信号C/A码和导航电文对齐，从而影响卫星信号定位结果。

参考文献

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作者简介

王普（1989-），男，河北省邢台市人。学士学位。现供职于南京航空航天大学。主要研究方向为卫星导航技术。

作者单位

南京航空航天大学 江苏省南京市 211106