北斗基带信号并行捕获算法研究及FPGA实现

发布时间：2020-10-20 12:08

　　 全球卫星导航系统是一个国家综合国力和科技实力的体现,是促进经济社会快速发展、保障国家安全必不可少的空间信息基础设施。欧美俄日等经济大国和军事强国都在卫星导航系统上进行了大量的研发投入,我国也已正式启动自主研发的北斗卫星导航系统。最能直观反映卫星导航系统应用价值的是导航接收机,接收机中基带信号处理模块的重点是扩频码的同步与跟踪,因此研究北斗卫星信号的捕获对于提升接收机工作性能和我国未来卫星导航事业的发展有着迫切而现实的意义。面对世界各国日趋激烈的竞争形势和国际范围越来越复杂的无线电环境,如何实现对北斗卫星信号快速精准的捕获是首要解决的问题。目前发展较为成熟、常用的算法有时域串行捕获算法、匹配滤波器捕获算法和基于FFT的伪码并行捕获算法。本文通过比较分析上述三种算法的优缺点,选择以基于FFT的伪码并行捕获算法作为研究对象,并对其提出改进意见,以达到在确保捕获精度的前提下进一步提高捕获速度的目的,最终在FPGA上实现改进算法。主要工作表现为以下方面:首先研究了北斗二号卫星信号的结构和特性,重点理解了载波、测距码和导航电文的结构和生成。其次研究了三种常用捕获算法的原理及特点,针对基于FFT的伪码并行捕获算法提出混频前端抽取和积分累加相结合的改进意见:先对采样数据进行抽取,将FFT计算点数下降为原来的1/5,以减少FFT运算量,再在平方检波前,将做完IFFT的数据结果进行周期积分累加,降低系统复杂度。然后在MATLAB软件平台上对传统的FFT伪码并行算法和改进算法进行仿真验证。最后采用Altera公司的EP4CE30F23C8芯片,使用Quartus Ⅱ中的Qsys构建基于Nios II的SOPC系统,在硬件上实现北斗卫星信号的并行捕获,并将捕获结果显示在LCD1602上,验证改进算法的正确性和可行性。
【学位单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN967.1;TN791
【部分图文】：

获算法法是一种经典的捕获算法，该算法原理简单、耗原理框图如图 3-5 所示。卫星信号在经过天线波器、AD 采样后，得到的数字中频信号进入到地载波发生器在确定的一段频率范围内，按照某从第一频段开始，滑动本地伪码，依次做对应该积分，然后调整到下一频段，搜索直至遍历了所对所有相关积分结果做阈值判断。如果相关峰值，并记录下峰值所对应的码相位和频率。否则，码和本地假设的卫星信号伪码不匹配，控制逻辑 ( )2I 1L

0( ) ( ) ( ) ( )= = +nx n y n x n y m n ( ) = ( ) ( )xyr m x n y n[0, 1, 2, …, N-1]， 表示循环卷积运算符。的卷积等效于频域的乘积，故对式(3-31)两边同时做 FFT 变换( ) ( ) ( ) ( ) ( ) R k = X k Y k =X k Y k 上述结果进行傅里叶逆变换（IFFT）：r ( m ) = IFFT ( FFT ( y ( n )) CONJ ( FFT ( x ( n ))))所得结果逐个求模，即得到接收信号与本地参考信号的相关判断，该算法的实现原理如图 3-7 所示。星 B1 频段 I 支路测距码码速率是 2.046Mcps，显然，这种算个频率点需寻找 2046 次码相位操作变为只需执行两次 FFT， IFFT 运算，便可以得到相关数据，运算步骤得到有效地减少程度上得到了提高。FFTI(t)⊕IFFT 输2

而达到减轻硬件资源消耗过大的目的，也可以进一步提高速度，使其适更多的场景。5.2 混频前端抽取 FFT 伪码并行捕获算法基于上述原因，本文采用一种混频前端抽取 FFT 伪码并行捕获的方法，影响频率分辨率的前提下，通过减少采样数据来换取速度的提升。改进算核心思想是在对采样数据进行混频之前对其进行抽取，通过降采样的方式数据的点数，这样能够极大的减少后面 FFT 的运算量。其原理框图如图 3示。输入信号 11.999MHz采样FFTI(t)⊕IFFT 抽取 输出2
【参考文献】

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本文编号：2848665