基于FPGA的雙模捕獲的研究與實現

劉佳娟　王康誼

摘 要：針對雙模接收機系統的捕獲時間長、捕獲靈敏度低的問題，提出了一種基于部分匹配濾波器和FFT結合的并行捕獲算法。該方法在傳統的捕獲算法上，對不同的信號分別采取了相干和非相干累加，使衛星在40dB-Hz以上的時候可以快速捕獲。該方法可以捕獲至少到33dB-Hz的GPS/北斗信號。文章詳細介紹了該方法，并且給出了其在FPGA中主要模塊的實現。

關鍵詞：雙模接收機；捕獲時間；捕獲靈敏度

引言

由于雙模接收機的定位精度高、抗干擾能力強，雙模接收機的研發成為近年來的熱點。信號捕獲是實現載波和偽碼的粗同步，得到的誤差在跟蹤模塊中載波環和碼環牽入范圍內的載波多普勒和偽碼相位[2]。對于雙模接收機來說主要運用在高動態下如彈載接收機中，所以搜素的范圍在10kHz左右甚至更大。

常規捕獲算法分為串行捕獲和并行捕獲兩大類。串行捕獲結構簡單，一般使用一個相關器，一次對一個頻點，一個偽碼相位進行捕獲，捕獲時間較長，速度慢，無法滿足快速定位的要求。并行捕獲在一個或者兩個維度上進行并行操作，提高了捕獲效率和時間[1，3]，使得快速定位成了可能。因此GPS/BD雙模接收機采用并行捕獲。由于在已有的GPS和北斗單模接收機采用部分匹配濾波器和FFT結合的并行捕獲算法中，采用相同架構的捕獲算法是兩者單獨捕獲成功，并且兩者結合的時候根據不同的信號結構體制和信號強弱采用相干累加和非相干累加結合的方法實現其雙模捕獲。

1 算法原理

部分匹配濾波器和FFT結合的捕獲算法原理如圖1所示，接收機接收到的導航信號經過與載波NCO的剝離分成I、Q兩路信號，然后通過濾波濾掉高頻成分，再經過降采樣之后將信號采樣值和本地偽碼進行分塊處理，最后將每一分塊的數值進入部分匹配濾波器中。部分濾波器組的每次相關結果與輸入信號移半個碼片后繼續相關，完成碼域搜索。然后對將其結果進行補零的128點FFT結果，完成頻域搜索。這樣對結果進行相干累加或非相干累加，取結果的最大值與門限做比較。若大于門限值，則捕獲成功，若小于則進行進入下個頻點搜索。

由于北斗BD信號MEO/IGSO衛星調制有20ms的NH碼，所以在GPS/BD雙模中相干積分時間設為20ms。但是對于GPS信號，每20ms就有可能發生bit翻轉，將導致相關結果正負抵消，從而降低信噪比增益。對于北斗B1信號又有兩種情況，對于GEO衛星，不宜超過2ms；對于MEO/IGSO衛星，不宜超過1ms。所以根據不同的信號將整個相干積分時間分為n段，每段相干積分時間為t，而每段匹配濾波器又被分為長度為L的M段濾波器組（L*M=相干積分時間t內的采樣點數）。

相干累加就是對M個相關器相關結果直接進行累加，從而提高信噪比，提高捕獲靈敏度。相干累加使信號幅度成倍增加，信號功率也成倍增加。非相干累加是對相干累加的結果取平方求和，進一步提高信噪比。相比之下，非相干累加由于不受bit翻轉的影響，因此要與相干累加結合使用，通過優化設計達到最佳的信噪比。

2 FPGA模塊實現

FPGA主要實現的是接收機的捕獲模塊，而捕獲起始調度和捕獲結果的處理主要有DSP實現。

2.1 信號處理模塊

信號處理模塊主要完成的是對AD信號的載波剝離、低通濾波和降采樣的處理產生I、Q信號，并將結果存入RAM中供匹配濾波器處理。雙模中要考慮GPS和B1信號頻率字的不同，判斷進入的信號是GPS信號還是B1信號。根據GPS信號的碼率是1.023MHz，滿足抽樣定理的要求降采樣率至少是碼率的2倍，即2.046MHz而在FPGA中取整。北斗B1信號同理取4MHz。

2.2 部分匹配濾波器模塊

匹配濾波器的實質就是從RAM中輸入的值與本地產生的偽碼相關的結果。進入濾波器的I、Q兩路信號與本地偽碼相關得到濾波器結果如圖2所示。如果部分匹配濾波器使用加法數的結構實現，可以更快地完成一次匹配濾波，但是加法數會消耗更多的邏輯資源，同時由于系統時鐘足夠高。因此，采用了依次進行乘加運算實現。

2.3 FFT模塊

FFT模塊使用ISE中的IP核實現如圖3所示，FFT點數為128點。完成一次濾波進行一次FFT操作，在裝完匹配濾波的結果后繼續補零直到補齊128點。FFT采用流水模式計算，不必等上一次的結果輸出就可以將下一次的PMF結果載入FFT中，大大減少了計算時間，使捕獲更快速。

2.4 相干累加和非相干累加模塊

對于雙模接收機要考慮不同的信號體制與信號強弱程度來設計相干累加和非相干累加次數。GPS信號在現在應有的導航體制中已達到最優，所有應先考慮GPS信號。在GPS中，相干累加和非相干累加都應考慮進去。在PMF-FFT之后的結果先進行n次相干累加后再進行m次非相干累加，然后將非相干累加結果和門限值做比較，大于門限值則捕獲成功，小于門限值則繼續前面的模塊知道捕獲成功。同時如果信號大于40dB-Hz時非相干累加次數取1-2次即可，若信號小于40dB-Hz時增加非相干累加次數。

B1信號又分為GEO衛星和MEO/IGSO衛星。對于GEO衛星直接采用非相干累加來與門限值做比較。MEO/IGSO衛星由于有NH碼的調制，所以采用相干累加。非相干累加達到一定次數后，對信噪比的提高不是很明顯還會造成一定的平方損失，所以非相干累加次數不要太多。

3 捕獲時間

FPGA中的時序關系是確定的，根據設計可以準確的估算出一次捕獲所用的時間。對于GPS信號而言，相干積分時間為20ms，降采樣為2MHz，進入PMF模塊中，每次PMF消耗161個系統時鐘周期，而系統的時鐘頻率為62MHz，相干累加次數5次，非相干累加次數為1次，從而完成一次捕獲需要的時間大約為130ms。上述情況對應較強信號的情況。對于較弱的信號，增加非相干累加次數，捕獲時間粗估計為604ms。由此可見，在1s內可以對6顆左右的衛星進行捕獲，達到1s內重捕獲并定位跟蹤。同理，對于北斗GEO衛星，采用2ms的相干積分時間，在弱信號下采用10次非相干累加，完成一次捕獲需要大致為631ms的時間；而在信號叫強的情況下需要113ms的時間。而對于北斗MEO/IGSO衛星，采用20ms的相干積分時間，采用10次相干累加，在弱信號下捕獲的時間大約不超過1s。可見基于上述算法所消耗的捕獲時間很少，在捕獲速度上優于其他的捕獲算法。

4 結束語

文章提出的基于部分匹配濾波器和FFT結合的相干累加和非相干累加并行捕獲算法，可以對碼相位和頻率進行并行捕獲，縮短了捕獲時間，提高其捕獲靈敏度。文章給出了雙模接收機在FPGA中的實現及主要模塊的分析，表明基于部分匹配濾波器和FFT結合的相干累加和非相干累加并行捕獲算法比其他算法具有很好的優越性。

參考文獻

[1]謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業出版社，2009：358-362.

[2]Jian W， Lu D， Liang K， et al.GNSS signal acquisition platform design[J].2009.

[3]Foucras M， Ekambi B， Bacard F， et al.Optimal GNSS acquisition parameters when considering bit transitions//[Z].Monterey，CA：2014.

[4]史向男，巴曉輝，陳杰.北斗MEO/IGSO衛星B1頻點信號捕獲方法研究[J].國外電子測量技術，2013（4）：19-21.

[5]李亞飛.北斗/GPS雙模定位關鍵技術研究[D].中國地質大學（北京），2014.