简析基于PCI9820和GP2015的GPS信号采集与频谱分析

　　典型GPS接收机主要由4部分组成：天线、射频前端、相关器和导航解算模块。为保证GPS接收机的实时处理，关键的基带信号处理模块--相关器一般由专用集成电路来实现。对于软件GPS接收机，其射频前端模块仍由硬件实现，基带处理由软件实现，其软件平台可以是数字信号处理器(DSP)，也可以是通用PC机。采集真实GPS信号，把数据存在普通PC的硬盘上，利用PC丰富的软硬件资源进行软件接收机设计开发，是当前GPS接收机发展的一个活跃的方向。为保证采集GPS数据的有效性，要综合考虑的指标包括采样率、量化位数、数据连续完好性等指标，这是选择数据采集系统的依据。
　　本文介绍了一种基于PCI总线的数据采集系统，利用ADLINK公司生产的PCI9820数据采集卡，实现对ZARLINK公司的射频模块GP2015输出的中频GPS数据的采集，数据存到硬盘上，以便后续的GPS基带信号处理以及定位解算工作。
　　2 PCI9820数据采集卡介绍
　　PCI9820是一块高速、高分辨率、高容量的PCI总线数据采集卡，配备两路模拟输入端，具备同步采集的功能。它提供60 MHz的内部时钟基准，内部时钟基准下，当两组模拟输入同时工作时，最高采样率为60 MS／s，而外部钟基准下可达到65 MS／s；而当选取一路模拟输入，若启用“乒乓”模式，内部时基下采样率高达120 MS／s，外部时基下采样率可以达到130 MS／s。
　　PCI9820具备14 b的分辨率，14 b的A／D分辨率使得PCI9820在时域和频域应用方面较为理想。输入的范围可由软件选择，提供-1～1 V或是-5～5 V两种范围。输入阻抗可以通过手动跳线位于板卡背面的J6和J7，提供两种选择，分别为50 Ω和1 MΩ。
　　PCI9820可以提供多样的触发选择，触发源包括软件触发、模拟触发与数字触发。模拟触发功能提供多种触发条件的选择，数字触发则提供上升沿触发与下降沿触发两种选择。可获得的触发模式有后触发、预触发、延时触发和中间触发。对于有极短暂间隔的连续触发事件，可以用重复触发模式获取数据。在应用多卡同步功能时，PCI9820可以接受来自于SSI接VI及外部SMB接口的5 V／TFL数字触发信号，并且多卡共用时钟及触发信号。
　　PCI9820延续凌华在DAQ-2000系列上的设计，提供自动校正功能，使用者只要通过一个软件指令，就可以激活PCI9820上的自动校正功能，完成模拟输入信道的校正工作，不需要任何繁杂手工操作。
　　PCI9820在数字设计方面，采用标准的SODIMMSDRAM来储存资料。因为PCI9820的单一信道所产生的数据流，已超过了33 MHz、32 b PCI总线的频宽，所以数据在传输到计算机之前都记录在板载SDRAM中，然后再通过总线控制DMA传输到主机内存中。当数据的速度超过PCI总线带宽时，板卡上的内存容量相对就显得重要。PCI9820的标准版本配备64 MB的内存，最高可支持到512 MB，可提供单一信道采集频率达130 MS／s时，长达数秒的储存空间。如果板卡的数据输出小于PCI带宽，PCI9820可以配置板载3k采样数量的FIFO旁路SDRAM，完成直达主机内存的实时数据传输。在一个多用户或者多任务操作系统中，单独分配一块大的连续的内存用于DMA传输是很困难的，所以PCI9820提供了聚散DMA功能，它能把分散的内存块连接成一个互连的表列，从而可以不受分散小容量内存块的影响实现大容量数据传输。其结构框图如图2所示。
　　3 GPS射频芯片GP2015简介
　　GP2015是ZARLINK公司生产的TQFP封装的小型射频前端芯片。GP2015提供一个低功率、低成本和高可靠性的GPS射频前端解决方案。GP2015包括一个片上合成器、混频器、自动增益控制(AGC)和一个提供符号和量级数字输出的量化器，构成一个完整的GPS接收机射频前端电路仅需要极少的外部元件。可以与12信道GPS相关器GP2021或者GP4020等GPS基带处理器配套使用，适合C／A代码全球定位的卫星接收机、时间标准、导航和测量的应用。
　　射频前端主要由GP2015芯片及外围滤波电路构成。GP2015的输人信号是自天线下行，经前置放大器滤波、放大后的GPS信号(L1波段为1 575.42 MHz)作为输入信号与锁相环频率合成器产生的第一本振信号(1.4 GHz)混频，经滤波得到差频信号(175.42 MHz)。该信号与第二本振信号(140 MHz)混频，经过声表滤波器中心频率选择得到差频信号(35.42 MItz)。该信号随后进入中频信号主放大器，这一部分由两个AGC(自动增益控制)放大器和三级变频器组成。信号首先经过AGC放大，然后与第三本振信号(31.11 MHz)混频，经过低通滤波器选出中频信号(4.309 MHz)。该中频信号一路送往片内A／D转换器，一路送往管脚1供测试使用。
　　在片内该中频信号随后进入A／D转换器进行2 b量化后，模拟信号转换为二位数字信号--符号和模(SIGN和MAG)，分别表示输出信号的极性和幅度值，它们来自于中频模拟信号通过比较器比较之后实时输出的比较结果。比较结果的输出被基带相关器提供的时钟信号(5.714 Mttz)锁定，锁定后使4.309 MHz的信号变频到1.405 MHz的数字信号。该数字信号输出给基带处理器做进一步处理。
　　这里使用的是GP2015第一管脚的4.309 MHz的模拟中频信号，送到PCI9820数据采集卡，按照一定采样率，采集得到数字中频GPS信号。
　　用GP2015构建射频模块还包括外围滤波器的设计，射频滤波器的作用是滤除带外干扰，特别是滤除1 224．58 MHz的镜像噪声，避免射频前端第一级混频器过载。该滤波器还有助于对900 MHz的移动电话所带来的干扰进行滤除。射频滤波器引入的插入损耗需要由LNA前置低噪放大器做出补偿。具体细节可参考手册及文献[5-7]。
　　4采样方案及信号频谱分析
　　4.1 采样方案
　　GP2015输出4.309 MHz的模拟中频信号，而GPS的C／A码带宽为2.046 MHz，因此GPS信号所占频带为3.286～5.332 MHz，中频信号的最高频率为fH=5.332 MHz。按照Nyquist低通采样定理，当采样频率fs≥2fH时，就能够从采样后的数据中无失真地恢复出原来的信号，信号在时域的采样等效于在频域的周期延拓，使fs≥2fH就是为了保证采样后的信号频谱不重叠，因此可知采样频率最低为fs=10.664 MHz。但采样频率越高，后端数字基带处理的数据处理量就越大，对实时处理GPS信号带来了困难。所以工程实际中经常使用带通采样技术，降低采样率，有利于简化硬件、降低成本，同时减轻后续数据处理的压力。
　　对于GPS中频带通信号，其带宽为B=2.046 MHz，只要取fs≥2B的某些值，就可以保证采样后的信号频谱不重叠。这种采样方式就称为带通采样(Band-Sampling)，又叫欠采样(Under-Sampling)，带通采样频率fs可由下式确定：
　　其中，fH是带通信号的最高频率，fL是带通信号的最低频率，n为整数，取值范围为2≤n≤fH／(fH-fL)。
　　对于这里的GPS中频信号，fH=5.332 MHz，fL=3.286 MHz，由式(1)可得：
　　当n=2时，fs范围：5.332 MHz≤fs≤6.572 MHz，因此在工程实际中，与GP2015配套的基带芯片GP2021(GP4020)提供的采样时钟频率为5.714 MHz，欠采样得到1.405 MHz的数字中频信号。
　　PCI9820采集卡的内部时钟基准为60 MHz，可在软件中设定对其进行整数比率的分频，即fs=60／n，n为整数，我们取n=10，得到采样频率fs=6 MHz，按此频率对GPS中频信号采样得到1.691 MHz的数字中频信号。实验中还采用低通采样频率fs=12 MHz进行对比实验。
　　4.2 PCI9820双缓冲数据采集模式
　　在DOS环境下，一次DMA或中断方式采集数据通常不能超过640 kB。在Windows环境下，一次DMA的数据量依赖于板卡的PCI控制芯片的寻址范围和系统物理内存大小，虽然可能很大但仍无法实现较长时间实时数据采集功能，而PCI9820提供的双缓冲模式可以解决这一问题。
　　双缓冲一个是循环缓冲，一个是用户缓冲。循环缓冲又分成两个部分。采集的数据先写入循环缓冲区，当半满时，循环缓冲区的前半部分写入到用户缓冲区中。采集的数据继续向循环缓冲区的后半部分写入。当循环缓冲区全写满时，循环缓冲区的后半部分数据再写入用户缓冲区中，此时，采集的数据会继续写入循环缓冲区的前半部分。如此反复，每半满一次，循环缓冲区的前或后半部分就会被写到用户缓冲区中去，从而达到连续高速采集的功能。值得注意的是，双缓冲方式涉及到内存的频繁读写，因此当采样速率很高或是系统任务很繁忙的时候，可能会出现数据丢失现象。具体程序设计可参考例程和文献[3，4]。
　　4.3 采样信号分析
　　按照前面介绍的采样频率方案以及PCI9820的双缓冲数据采集模式，我们对GP2015的中频信号进行采集，数据存在计算机硬盘上，在Matlab软件平台下对这些数据进行时频分析，并进行捕获跟踪处理。
　　结果表明当采样频率为6 MHz和12 MHz时，数据连续可靠，为后续软件基带处理提供了真实可靠的数据。图3，图4分别为采样频率为6 MHz和12 MHz的信号频谱图，图5为以6 MHz进行采样的数据进行相关捕获运算，得到的9号卫星捕获结果图，表明数据完好可用。
　　利用PCI9820高性能数据采集卡和GP2015射频模块构建的GPS数据采集系统，该系统实现了对GPS信号长时间连续采集，并对数据进行了分析处理，结果表明数据连续完好，可用于后续基带处理，实现了软件GPS接收机，也为其他带通信号的采集处理提供了参考。