摘 要: 提出GPS接收機集成設計與仿真平臺的研制思想,進行GPS系統的建模、仿真和接收機設計驗證的技術手段、開發模式" title="開發模式">開發模式及仿真設計流程,建立以數字中頻" title="數字中頻">數字中頻信號為參考點的信號模型,并給出整體設計方案。
關鍵詞: GPS 系統建模與仿真 可編程片上系統
隨著衛星導航定位技術的空前發展和全球定位系統GPS(Global Positioning System)在軍事、民用眾多領域日益廣泛的應用,越來越多的廠商投入到GPS用戶端設備的研發和生產中。其中GPS接收機和專用芯片的研制融合了衛星導航、無線通信、嵌入式系統、微電子技術等多個專業領域的知識,新技術、新方法、新產品不斷出現,在研究開發的早期要對新的處理技術和不同的設計進行分析、比較和驗證,需要一種易用的、精確的GPS信號與接收機模型和系統級" title="系統級">系統級仿真工具[1][2]。在當前技術條件下這種模型和工具可以進一步發展為將經過驗證的新設計吸收并集成到新的接收機、概念機以至原型機中的系統級平臺。
1 輔助GPS接收機設計的系統級平臺的提出
隨著技術的發展,GPS接收機的結構已經由單通道序貫模式、時分多路復用模式發展到并行多通道模式,絕大多數接收機采用了數字信號處理" title="數字信號處理">數字信號處理模塊。將數字信號處理電路與應用處理器做成單芯片,即內嵌" title="內嵌">內嵌MPU/MCU的GPS SOC(System on Chip)芯片的產品已陸續面市。新的數字信號處理算法、捕獲與跟蹤方法、參數估計方法、高動態和高精度定位算法、組合導航濾波算法等不斷應用于GPS隨機軟件中。同時,GPS系統將增加新的擴頻M碼,并為民用用戶增加在L2上的C/A碼和新的L5頻率。傳統的GPS接收機和芯片由于不具有可升級性、不能同時兼容新的空中接口方案將會逐漸被淘汰。
在現有技術條件下,GPS接收機對各種動態環境下的多通道衛星信號的實時數字化處理仍需借助硬件實現。選用FPGA器件作為GPS數字信號處理的硬件平臺,不僅可以提供純軟件信號處理尚不能達到的實時性以及ASIC相關器所不具備的靈活性和可擴展性,而且可以將GPS接收機的相關器、CPU及其接口、更多的功能單元集合在一塊內嵌DSP或其他嵌入式處理器內核的FPGA器件上,即實現GPS信號和應用處理的可編程片上系統SOPC(System On a Programmable Chip)。要適應新的GPS波形和應用只需改動接收機中的軟件和固件,使接收機用戶不需要購買新的GPS硬件即可完成面向新系統并不斷改變的應用要求、性能要求(如高動態性能的提高、新的載波跟蹤技術的應用等)的升級。
要用FPGA實現SOPC,必須對FPGA設計進行全面的性能分析,不能僅限于時序的驗證。在電子設計過程中系統級仿真占整個設計周期的比率已逐步提高到30%以上[3]。由于高層應用背景、系統目標定義、算法及設計規范的千差萬別,系統級仿真工具的開發任務越來越多地轉移到了原有EDA工具的用戶——即電子產品和系統開發者身上。GPS系統級建模仿真工具與新的GPS接收機設計同樣可以由設計者集成在一個開發平臺之上并實現其相互驗證和轉化。這一平臺不僅可以提供蘊含GPS知識工程與專家系統資源的GPS系統級仿真和設計驗證工具,還可以直接形成概念GPS接收機的設計,形成GPS信號處理器的行為級模型和HDL設計,直接用于先進的GPS接收機系統與芯片的開發。
2 開發模式和設計仿真的流程
在輔助GPS接收機設計的系統級平臺研制中采用一種新的開發模式和設計仿真方法,如圖1、圖2所示。首先在Mathworks公司的Simulink環境中通過信號互連的Blocks(部件)組成系統模型,由Matlab定制信號驅動仿真和分析結果,通過由FPGA廠商提供的第三方工具(例如Altera公司面向其內嵌嵌入式微處理器的器件Excalibur系列的SOPC Builder、面向其內嵌DSP block的器件如Stratix系列的DSP Builder、Xilinx公司面向其內嵌DSP的FPGA器件的System Generator等工具)可以產生硬件TestBench(測試基準),比較Simulink和后續的HDL仿真的結果;經驗證的設計被移植到硬件時,無對應硬件實現的Blocks如TestBench驅動和分析模塊將被自動舍棄。在Simulink中的仿真速度比HDL仿真大大加快,使實現復雜系統的仿真成為可能,仿真得到的結果與硬件實現的結果是精確匹配的。通過Simulink和HDL的協同仿真,在開發早期階段即能看到預期的硬件結果,從而使設計過程大為簡化。這種開發模式在成本、易用性、多速率和連續信號支持、控制邏輯和復雜系統構建和仿真等諸多方面均有優勢。
3 GPS接收機模型及模擬產生GPS信號的邏輯點的選擇
建模與仿真首先對GPS接收機天線接收到的衛星信號模擬,然后著重研究GPS接收機的系統級模型、仿真分析和設計驗證,接收機部分主要針對圖3給出GPS接收機模型框圖中的A、B、C三個模塊。
將模擬產生GPS信號的邏輯點選在接收機由A/D變換器產生的數字化中頻處,即圖3所示A部分輸出與B部分輸入處,開始數字化處理之前。理由有四:
(1)盡管Simulink可以對時間連續的動態系統進行仿真,但Matlab和Simulink本身是工作在計算機離散化的數字處理基礎上的,對連續信號來說事實上是一種偽模擬環境。要在此環境中實現對高頻模擬信號精確仿真,依賴于時間密集的高速采樣,非常消耗計算資源,一般要得到一個可用的仿真結果需要等待長時間的運算;
(2)大多數現代的GPS接收機對下變頻后的模擬中頻信號進行A/D變換,以便采用先進的數字信號處理技術進行處理如數字跟蹤、數字相關、數字濾波等;
(3)許多誤差因素和接收機效應可以在這一點精確建模,通過推導得到其解析表達式;
(4)不含反饋信息的信號可以很好地與Matlab的代碼順序處理機制相適應,從而使代碼流程清晰,使用簡單,只需輸入幾個控制仿真操作的預定義參數即可。
4 數字中頻信號模型的建立
圖3所示A部分輸出與B部分輸入處的數字中頻信號是模擬產生GPS信號的邏輯點,也是數字信號處理電路的輸入。其數學模型的正確性將直接影響整個系統的性能,是建模的首要任務。
在GPS系統T時刻到達GPS接收機天線的L1載波C/A碼RF信號可以表示為:
式中N為T時刻的可觀測衛星總數,j為可觀測衛星的編號,Pjr為接收信號功率,Cj()和Dj()分別為第j顆衛星的C/A碼和導航電文數據,τjg為群延遲,τjg為相延遲,fL1為L1載波頻率,fjd為載波多普勒頻移,φj為L1載波相位差的固定項,φjv(T)為隨機相位誤差項,
為頻漂或老化效應造成的相位偏差。n(T)為背景噪聲項,這里將L1 P碼信號視為隨機噪聲并入n(T)中,RL1-MP為多徑誤差項。
GPS射頻前端電路輸出的中頻信號可以表示為:
式中fIF為中頻信號的頻率,Aj為其電平幅度;nIF(T)為中頻噪聲項,包含n(T)經各級濾波器之后落在最終的中頻頻帶內的噪聲、混頻和濾波電路產生的諧波、本振反饋和鏡象噪聲等的影響。
若考慮接收機參考頻率源的誤差,則(2)式中的fIF由數字中頻信號的標稱頻率fIF_nom和其誤差項fIF_err組成,即fIF=fIF_nom+fIF_err。理論上振蕩器鐘差影響采樣頻率,在采樣時間上帶來抖動。在仿真中若采用非統一的采樣時間,將會顯著降低仿真速度。通過均勻采樣,并插入頻率誤差項到信號表示式中來模擬其影響。這樣可將(2)式中的接收時間取為固定采樣頻率fS下的采樣時間kTS,k=0，1，2，…。這樣得到數字中頻信號表示式為:
5 設計實現
整個GPS系統級平臺的研制著眼于實際硬件系統的仿真,先進的信號處理和跟蹤算法、設計方法的吸收與集成,不求復雜性而求其實用性和靈活性。開發內容分為以下三部分:
(1)GPS信號軟件模擬器(數字中頻信號產生模塊)
對GPS衛星信號經過無線傳播信道、GPS接收機天線、射頻下變頻、濾波和采樣量化之后形成數字化中頻(或零中頻)信號的整個過程進行建模和仿真,得到數字化中頻(或零中頻)信號輸出數據文件。這一部分采用Matlab代碼編程實現。
這一仿真是在系統數學模型的基礎上實現的。AGC電路模型可以分別采用Matlab代碼和Simulink Block兩種方式實現。前者仿真可以更快、更精確,但在接收機噪聲不為常數時計算給定時間間隔的最佳門限并實現反饋控制較為困難;而后者可以實現重配置的AGC模型,更逼真地模擬AGC有限響應時間的波動,用于分析干擾環境的影響。
(2)GPS接收機數字信號處理模塊
實現GPS接收機數字信號處理部分的模型,對典型GPS接收機中的去載波、碼相關和跟蹤環路(即圖3所示解調和跟蹤部分)進行建模和仿真。這部分在Simulink中設計實現。
為了對軟件的模型精度進行驗證,選擇Zarlink公司的GPS芯片集GP2010/GP2015和GP2021進行建模,模仿信號在已知硬件上的效應和現象以便與真實測量數據相對比。同時所建模型也可針對其他接收機設計的模型重新配置,使設計具備足夠的靈活性以適應不同硬件仿真的需求。GP2021芯片由時基產生電路、地址譯碼器、總線接口、狀態寄存器和12通道并行相關器組成,每一通道的跟蹤模塊相互獨立。每個相關器集成了碼同步環和載波同步環的關鍵部件,要形成閉合的捕獲跟蹤環路還需要后邊的CPU軟件完成比較和控制[4]。
(3)驗證和評估模塊
提取實際接收機觀測量和解調數據輸出并與前兩部分仿真輸出結果作比較,為前兩部分的設計提供功能和性能的驗證與評估。這一模塊在Matlab環境中設計實現。
參考文獻
1 Alison Brown， Neil Gerein，Keith Taylor. Modeling and Simulation of GPS Using Software Signal Generation
and Digital signal Reconstruction. Proceedings of the ION National Technical Meeting， Anaheim， CA， January 2000
2 Phillip M. Corbell. Design and Validation of an Accurate GPS Signal and Receiver Truth Model for Comparing Advanced Receiver Processing Techniques. MS thesis， AFIT， OH， March 2000
3 周祖成,王志華. 中國集成電路大全——專用集成電路和集成系統自動化設計方法. 北京:國防工業出版社,1997
4 Zarlink Semiconductor. GPS 2021-GPS 12 Channel Correlator. WWW Site. www.mitel.com,2002.12