毕业论文-基于软件无线电gps接收机的技术分析与定位信号的应用研究

毕业论文-基于软件无线电gps接收机的技术分析与定位信号的应用研究内容摘要：

功率放大、接收预防大 和 RF 信号与 IF 信号之间的变换。 它的设计 目的是 使 下一步 中 的 A/D 发挥最优性能。 一个窄带超外差式接收机的射频部分与宽带软件无线电的射频部分相比有相似之处 ， 但并 不相同。 宽带的软件无线电的射频部分要求 ： 在滤波器的滚降特性的锐利程度受到损害的情况下 ， 强调仍然能提供线性的功率放大。 二、 中频 AD/DA A/D 变换器要求有较高的采样 速率和 分辨率 ， 以便在恢复时降低失真。 除此之外 ， 还要求 有较 大的线性动态范围 ， 以减少互调失真 ， 使接收的弱信号仍能在强的干扰信号中检测出来。 它在移动通信中有远近效应时尤为重要。 随频率和带宽的增加 ， 采样速率和动态范围也将增大。 此外，信噪比、无寄生动态范围、噪声功率也是选择 A/D 转换器时的重要技术指标。 信噪比（ SNR）是 度量一个信号 的传输质量 ，与转换器的分 辨率直接相关。 无寄生动态范围 （ SFDR）， 是度量变换器中的非线性误差源 ， 用来评估强信号下 A/D 变换器同步检测弱信号的能力。 噪声功率比（ CNR），定义为陷波滤波器带内噪声功率谱密度之比，可提供与如何限制信道间互干扰的信息。 三、 数字信号处理模块 在数字信号处理模块的实现 方式 上 ，主流 趋势为 DSP（ Digital Signal Processor， 数字信号处理器 ）、 FPGA（ Field Programmable Gate Array， 现场可编程门阵列 ）和 ASIC（ Application Specific Integrated Circuits， 专用集成电路 ）。 可以简单理解为 ,DSP 以软件方式 ,FPGA 和 ASIC 以硬件方式实现数字信号处理算法。 由于 DSP 和 FPGA 均具备可编程能力 ,它们比较适合软件无线电的需要。 中国科学技术大学毕业论文 12 基于 DSP 的软件无线电系统通过软件编程实现了用户参数和波形的改变，他的特点是通用性、灵活性好，开发容易。 基于 FPGA 的系统由于 FPGA 具有在线编程，动态改变器件逻辑功能的特性，实现物理器件的分时复用，因而有着比 DSP 更好的灵活性和更低的成本。 ASIC 则是实现了纯粹的数字无线电系统。 为了更好的体现软件无线电通用 、 灵活 、 开放的特点，基于通用处理器的软件无线电系统也随之产生，这正是源于通用 CPU 的设计在可编程型、通用行、开放性上的巨大优势，是它成为了最接近理想软件无线电的平台，这也是软件无线电在实现方式上的发展趋势。 四、 算法软件实现 软件无线电的本质是用软件定义无线通信。 通过软件，系统实现了从信号解调、滤波、捕获跟踪等一系列原先要通过复杂硬件才能完成的基本软件无线点功能。 次外，还应针对不同的软件无线点的设计需求，在局部进行软件优化处理。 软件算法 的 实现 直接 决定了系统的功能 与 性能。 第三节 GPS 软件接收机的设计原理 GPS 信号接收 机是 GPS 全球导航定位系统的用户设备，是实现导航定位的终端仪器。 传 统的 GPS 接收机的 虽然种类繁多，但在结构上通常可分为射频前端（ RF Frontend） 、 信号处理单元（ Signal Processing） 和导航处理（ Navigation Processing）三 部分。 在前端中，接收机通过天线耦合接受 GPS 信号，经过预放大（ Preamp）、下变频（ Downconversion）和滤波（ Filter）后生成中频信号（ IF），对后通过A/D 转换器采样，将模拟信号转换为数字信号（ Digital IF）传输 到信号处理单元中。 信号处理单元 将已经接受到的中频 数字 信号进行捕获跟踪处理，并对导航信息解调 ，以 得到 定位 伪距（ Pseudorange）、载波相位及星历数据（ Ephemeris）。 最后在导航处理单元中，计算出用户的经纬度坐标、行进速度等信息，实现用户的导航定位。 中国科学技术大学毕业论文 13 预 放 大 下 变 频 滤 波A / D射 频 前 端信 号 捕 获 信 号 跟 踪导 航 信 息解 调信 号 处 理 单 元导 航处 理单 元D i g i t a l I F图 2 . 3 . 1 G P S 接 受 机 结 构 图 GPS 软件接收机是在软件无线电（ SDR）思想知道下实现的。 它继承了软件无线点的设计特点，即使 A/D 转换器尽可能的靠近天线，其它部分实现软件化，所以 GPS 软件接收机与传统接受机相比，保留了射 频前端，由 软件构架对中频数字信号 进行捕获和跟踪。 一旦完成了跟踪 ， 通过子帧同步和奇偶校验，就可以将输出的信号转换成导航数据。 从子帧中可以得到星历数据。 根据星历数据可以确定当前卫星的位置。 接受机到卫星之间的伪距也可以确定。 只要获得了所有必需的信息， 就可以 计算出用户的位置 ，并将其转化为所需的坐标系统中 [6]。 GPS 软件接收机结构如下： 捕 获内 部 时 钟奇 偶 校 验子 帧 同 步导 航 处 理测 量 推 倒跟 踪 环中 频数 字信 号图 2 . 3 . 2 G P S 软 件 接 收 机 结 构 中国科学技术大学毕业论文 14 第四节 软件接收机中频数据处理的核心算法 一、 C/A 码信号捕获 为了跟踪 GPS 信号并进行信息解码，就必须先用捕获程序来检测信号的存在。 一旦检测到信号，必须测出两个重要参数，一个是 C/A 码 信号的延时 ，另一个是载波信号的 载波频率。 采集的数据通常包括几个卫星的信号，每个信号的C/A 码不同，开始时间不同，多普勒频移不同。 捕获程序要找到 C/A 码相位，并用这个信息对频谱接扩，输出连续波信号，就可以得到 它的载波频率。 C/A 码信号延时和载波频率两个参数将传递到跟踪程序中。 图 2 . 4 . 1 G P S 信 号 捕 获 相关器 I(同相 )、 Q(正交 )通道第 k次相关输出分别为： 1( ) ( ) [ ( ) ] sin {[ ( ) ] / 2 } c o s ( )2 d k II k A D k R k c w k N n k   1( ) ( ) [ ( ) ] sin {[ ( ) ] / 2 } sin ( )2 d k k A D k R k c w k N n k   其中 A 为信号幅度， )(kD 为导航电文 , ()k 为码相位估计偏差， ()dwk 为多普勒频移估计偏差， )]([ kR 为 复制 码自相关函数， N 为积分码片长度， k 为载波相位， ()Ink、 ()Qnk为噪声项。 2 2 2 2 2 2 21( ) ( ) ( ) ( ) [ ( ) ] sin {[ ( ) ] / 2 }4 dS k I k Q k A D k R k c w k N    因此当本地产生的载波 频率和 复制 码相位与检测信号完全匹配时，相关器的最终输出为最大值。 由于码相位与多普勒频移的不确定性，为了获得相关峰值，以判定信号捕获与否，需要对码相位和 多普勒 频率进行二维搜索，若码相位搜索步长为  个码中国科学技术大学毕业论文 15 片，多普勒频率搜索步长为 f ，则一个码相位单元与一个多普勒频移单元组成的二维搜索单元 如下。 频率相位τΔ f 当接收到信号频率和相位落入该搜索单元时， 2()Sk 取得极大值。 将 2()Sk 与识别门限进行比较，根据判定算法进行判定是否成功捕获到信号。 二、 C/A 码信号跟踪 跟踪信号的 基本方法是根据输入信号构造一个窄带滤波器，当输入信号的频率随时间而变化时，滤波器的中心频率必须跟随信号变化。 实际的跟踪过程中，窄带滤波器的中心频率是固定的，但本振信号要随输入信号的频率变化而变化，通过比相器对输 入信号和本振信号的相位对比，由于窄带滤波器的带宽很窄，与捕获相比，跟踪方式有着更高的灵敏度。 跟踪的主要目的是对捕获的信号进行载波和码相位的精确跟踪，以确保本地产生复制的载波和码信号相位与输入信号严格同步，为数据解调做进一步准备。 为了跟踪 GPS 信号，必须去掉 C/A 码信息，因此跟踪过程需要两个环路来完成，一个跟踪 C/A 码；另一个环跟踪载波频率， 主要由各类锁相或锁频环 来完成 [7]。 中国科学技术大学毕业论文 16 A / DM AM A开 平 方开 平 方e / d 选 择振 荡 器V C O低 通 滤波 器低 通 滤波 器低 通 滤波 器Ξ9 0 176。 连续波C WC / A载波频率即时超 前滞 后码 环载 波 环反正切输 出图 2 . 4 . 2 载 波 和 码 跟 踪 环 路 图 C/A 码锁相环有 3 个输出： 超前码、延时码和即时码。 即时码用于将输入的数 字信号中的 C/A 剥离掉，输出是含有导航数据引起相位跳变的 CW 信号，并将其作为载波环的输入。 载波环的输出信号是频率为输入信号的载频 CW 信号，这个信号 可用于剥离 输入信号 中的 载波 信号，剥离后是一个只包含 C/A 码而没有载波的信号，这正好是码环的输入。 第五节 本章小结 自从软件无线电这一概念被提出之后，就得到了全世界无线电领域的广泛关注。 由于软件无线电所具有的灵活性、开放性等特点，使其在无线通信中获得了广泛应用。 利用软件无线电概念的设计 GPS 软件接收机，继承了软件无线电系统 的 优点 ， 由 软件处理 从 射频前端产生的中频数字信号，实 现 GPS 信号的捕获、跟踪及导航数据解调，完成了对当前位置伪距信息的解算， 并通过坐标转换实现定位导航。 中国科学技术大学毕业论文 17 第三章 基于 NMEA0183 码 的分析与研究 第一节 GPS 定位数据 NMEA0183 码的介绍 NMEA 协议是为了在不同类型的 GPS 导航设备中建立统一的 BTCM（海事无线电技术委员会）标准，由美国国家海洋电子协会（ NMEAThe National Marine Electronics Association）制定的 GPS 串口通讯协议。 GPS 接收机将用户位置、速度，及当前的相关卫星数据以 NMEA0183 协议的标准规范通过 串口传送到 PC机， PDA 等终端设备。 NMEA0183 协议解决了 不同品牌、不同型号的 GPS 接收机之间实现任意连接的接口问题。 目前大多数常见的 GPS 接收机、 GPS 数据处理分析软件、导航系统大多支持或至少兼容 NMEA0183 协议标准。 NMEA0183 协议对电器和数据规格都做了相应的规定。 在物理层，它要求通讯是建立在串口的基础上的；在数据链路层，它规定了传输波特率为 4800，数据位为 8bit，无奇偶校验及握手信号，停止位为 1bit；在应用层， NMEA0183码是 ASCII 编码的串行数据， 由 帧头、帧尾和帧 内数据组成。 它规定了每条信息帧都以“ $”作为起始符号，接下来的 5 个字符决定了信息帧的类型构成帧头，其后的各个数据以 “，”作为分隔符构成帧内数据，信息帧的最后一个数据紧接着“ *”加上两位的 16 进制的校验和（ Checksum）构成帧尾，并以 CRLF结束此信息帧 （见 下图 ）。 根据本文所设计的 GPS 应用软件，下面着重介绍软件所涉及到的相关数据帧格式。 1) GGA —— GPS 定位信息 (Global Positioning System Fixed Data) $GPGGA,1,2,3,4,5,6,7,8,9,M,10,M,11,12*hhCRLF 中国科学技术大学毕业论文 18 位置 内容 描述 1 UTC 时间 (时分秒 ) 2 纬度 3 纬度半球 N（北纬）或 S（南纬） 4 经度 5 经度半球 E（东经）或 W（西经） 6 GPS 状态 0=未定位， 1=非差分定位， 2=差分定位， 6=正在估算 7 解算使用卫星数 00 ~ 12（ 0 也将被传输） 8 HDOP 水平精度因子 9 海拔高度 米 M 单位 10 地球椭球面相对大地水准面的高度 米 M 单位 11 差分时间 从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空 12 差分站 ID 号 0000 ~ 1023 *hh 校验和(Checksum) CRLF 信息传输结束 2) GSA —— 当前卫星信息 (GNSS DOP and Active Satellites) $GPGSA,1,2,3,3,,3,3,3,4,5,6*hhCRLF 位置 内容 描述 1 模式 M=手动， A=自动 2 定位类型 1=没有定位， 2=2D 定位， 3=3D 定位 3 通道 1上卫星 PRN 01 ~ 32 用于解算的卫星 PRN 3 通道 2上卫星 PRN 01 ~ 32 用于解算的卫星 PRN …. …. …. 3 通道 12 上卫星PRN 01。