基于FPGA的卫星导航接收机信号处理设计和实现.docx
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基于FPGA的卫星导航接收机信号处理设计和实现
中图分类号：
TN96论文编号：
10006GS0302106
专业硕士学位论文
基于FPGA的卫星导航接收机
信号处理设计和实现
作者姓名王群仰
学科专业通信与信息系统
指导教师毛峡教授
仇跃华研究员
培养院系电子信息工程学院
TheDesignandimplementationofSignalProcessing
inNavigationReceiverbasedonFPGA
ADissertationSubmittedfortheDegreeofMaster
Candidate：
WangQunyang
Supervisor：
Prof.MaoXia
Prof.QiuYuehua
SchoolofElectronic&InformationEngineering
BeihangUniversity,Beijing,China
中图分类号：
TN96
论文编号：
10006GS0302106
硕士学位论文
基于FPGA的卫星导航接收机
信号处理设计和实现
作者姓名王群仰申请学位级别工程硕士指导教师姓名毛峡职称教授指导教师姓名仇跃华职称研究员学科专业电子与通信工程研究方向通信信号处理学习时间自年月日起至年月论文提交日期年月日论文答辩日期年月
学位授予单位北京航空航天大学学位授予日期年月日止日日
关于学位论文的独创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。
尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得北京航空航天大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。
若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。
学位论文作者签名：
日期：
年月日
学位论文使用授权书
本人完全同意北京航空航天大学有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版和电子版），使用方式包括但不限于：
保留学位论文，按规定向国家有关部门（机构）送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。
保密学位论文在解密后的使用授权同上。
学位论文作者签名：
日期：
年月日
指导教师签名：
日期：
年月日
指导教师签名：
日期：
年月日
北京航空航天大学硕士学位论文
摘要
卫星导航接收机的信号处理功能主要完成信号的下变频、解扩解调、伪距测量、译码以及恢复数据电文等，是接收机的关键组成部分。
随着集成电路技术的发展，导航接收机已经能够集成到一、两片芯片上实现。
本文主要研究模拟中频信号经A/D采样后的数字信号处理任务，在一片FPGA芯片上实现数字中频信号下变频和基带信号的信号处理。
扩频通信技术与常规的通信技术相比，具有低截获率、强抗噪声、抗干扰性、信息隐蔽和多址通信等特点，目前已从军事领域向民用领域迅－速发展，成为进入信息时代的高技术通信传输方式之一。
扩频通信系统中，最常见的是直接序列扩频通信（DS-SS）系统，本文所研究的就是这一类系统。
在直接序列扩频通信的研究中，伪码的捕获是关键技术之一。
只有首先对扩频信号进行捕获，然后才能转入跟踪阶段，进而使整个扩频通信系统达到同步，最终实现导航接收机的设计和实现。
本文对扩频系统的产生背景和发展趋势、基本理论、基本结构以及伪码的相关性和环路结构进行了讨论，并着重对本文中的伪码信号捕获和环路进行分析建模。
本文所研究的直接序列扩频通信系统具有接收信号动态范围大、码速率高、信噪比低等特点。
基于以上特点，本文着重从理论分析和电路设计实现两方面讨论了伪码捕获算法的实现问题和后续的环路跟踪的问题。
通过对现有伪码捕获算法和信号检测技术的分析和比较，提出适合本文中信号特点的捕获方案、环路参数设计和环路状态机设计。
在电路设计方面，采用Xilinx公司的开发软件XilinxISE7.1i，结合VerilogHDL语言进行逻辑电路的编程和仿真，完成了基于FPGA硬件平台的导航接收机设计。
键词：
卫星导航，直接序列扩频通信，伪码捕获、跟踪，FPGA
I
北京航空航天大学硕士学位论文
ABSTRACT
Thesignalprocessingisthekeyfunctionofthesatellitenavigationreceiver,whichincludefrequencydown-converting,demodulation,pseudodistancemeasurement,decodinganddatarecoveryetc.Withthedevelopmentofthemicroelectronic,thesatellitenavigationreceivercouldbeaccomplishedinasingleIC.Inthispaper,westudythesignalprocessingoftheanalogintermediatefrequencysignalafterA/Dsampling.OnlyinoneFPGA（FieldProgrammableGateArray）,wecouldaccomplishthefrequencydown-convertingandbase-bandsignalprocessing.
Comparedwiththenormalcommunicationtechnologies,thespreadspectrumtechnologyhasmoreadvantages,suchaslowprobabilityofintercept,highnoiseandinterferenceimmunity,theusefulinformationhidingandmultiple-accesscommunicationetc.Presently,thespreadspectrumtechnologyisspreadingfromthemartialfieldtothecivilianfield,whichhasbeenonemeansofthehigh-techcommunications.Inthispaper,westudytheDS-SS,whichisthemostcommonsystemofthespreadspectrumtechnology.
InDirect-SequenceSpectrum-SpreadSystem,acquisitionofPseudo-noisesignalisoneofthekeytechnologies.ThesuccessfulacquisitionofSpreadSpectrumsignalisthebaseofPseudo-noisesignaltracing,systemsynchronization,navigationreciverdesignandaccomplishmentfinally.
Thisarticleisabriefsurveyofthegeneration,developmentandcharacteristicofDS-SS.Atthesametime,westresstheacquisitionofPseudo-noisesignal,analysethecircleandsimulatethemodel.TheDirect-SequenceSpectrum-SpreadSystemhaspropertiesthatcanhandlesignalswithhighdynamicrange,highrateandlowS/Nratio.Accordingproperties,westudyarithmeticofAcquisitionofPseudo-noisesignalandsignaltracingthroughtheoryandrealization.ThoughcomparingarithmeticofAcquisitionofPseudo-noisesignalandweaksignaldetection,weproposearithmeticofAcquisitionofPseudo-noisesignal,parametersofthecircleandstatusofthecircle.Fnally,wecompleteamodelingofnavigationreceiverbasedonFPGAandVerilogHDLusingXilinxISE7.1i.
Keywords:
GNSS;DS-SS;AcquisitionandTrackofPseudo-noiseSignal;FPGA
II
北京航空航天大学硕士学位论文
第一章绪论..............................................................................................................................1
1.1课题背景及意义...........................................................................................................1
1.2扩频接收机的研究概况..............................................................................................2
1.3论文研究的意义与内容..............................................................................................3
第二章扩频通信原理概述......................................................................................................5
2.1扩频通信的基本原理..................................................................................................5
2.2直接序列扩频通信技术（DSSS）..................................................................................5
2.3伪随机序列..................................................................................................................9
2.4导航信号接收处理.......................................................................................................9
2.5扩频通信的同步解扩................................................................................................11
2.5.1起始同步—捕获..............................................................................................11
2.5.2锁相理论...........................................................................................................12
2.5.3保持同步—跟踪...............................................................................................15
第三章接收机中频信号处理技术途径................................................................................17
3.1信号动态特性分析....................................................................................................17
3.2信号处理模块组成....................................................................................................17
3.3A/D变换.....................................................................................................................18
3.3.1采样速率选择...................................................................................................18
3.3.2量化位数...........................................................................................................21
3.3.3量化信噪比.......................................................................................................21
3.4基带处理模块组成....................................................................................................22
3.5扩频信号的捕获........................................................................................................23
3.5.1传统滑动相关法..............................................................................................23
3.5.2基于FFT的快速捕获方法.............................................................................25
3.5.3PMF-FFT捕获结构的频率响应......................................................................26
3.5.4伪码快速捕获及仿真......................................................................................29I
北京航空航天大学硕士学位论文
3.6伪码相关通道............................................................................................................34
3.6.1码发生单元.......................................................................................................35
3.6.2NCO..................................................................................................................35
3.6.3积分和累加单元...............................................................................................36
3.6.4本地时钟单元...................................................................................................36
3.6.5逻辑控制和接口单元.......................................................................................36
3.7扩频信号的跟踪........................................................................................................37
3.7.1载波跟踪环......................................................................................................37
3.7.2伪码跟踪环......................................................................................................52
3.7.3环路跟踪测量误差和性能分析......................................................................58
3.7.4位同步...............................................................................................................62
3.7.5帧同步...............................................................................................................62
第四章信号处理设计与实现................................................................................................64
4.1信号处理的硬件设计.................................................................................................64
4.2主要器件选择及接口.................................................................................................65
4.2.1A/DC芯片........................................................................................................65
4.2.2FPGA芯片.......................................................................................................65
4.2.2DSP芯片..........................................................................................................67
4.3信号处理的FPGA软件设计....................................................................................68
4.3.1基于EDA工具的FPGA设计.......................................................................69
4.3.2自上而下（Top-Down）设计方法................................................................71
4.3.3实现描述..........................................................................................................71
4.3.4捕获模块设计..................................................................................................72
4.3.5码环设计..........................................................................................................79
4.3.6载波环设计.....................................................................................................
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