基于PCI9820數據采集卡實(shí)現對GP2015輸出中頻GPS的數據進(jìn)行采集

1 、引 言

典型GPS接收機主要由4部分組成：天線(xiàn)、射頻前端、相關(guān)器和導航解算模塊。為保證GPS接收機的實(shí)時(shí)處理，關(guān)鍵的基帶信號處理模塊——相關(guān)器一般由專(zhuān)用集成電路來(lái)實(shí)現。對于軟件GPS接收機，其射頻前端模塊仍由硬件實(shí)現，基帶處理由軟件實(shí)現，其軟件平臺可以是數字信號處理器 （DSP），也可以是通用PC機。采集真實(shí)GPS信號，把數據存在普通PC的硬盤(pán)上，利用PC豐富的軟硬件資源進(jìn)行軟件接收機設計開(kāi)發(fā)，是當前GPS接收機發(fā)展的一個(gè)活躍的方向。為保證采集GPS數據的有效性，要綜合考慮的指標包括采樣率、量化位數、數據連續完好性等指標，這是選擇數據采集系統的依據。

本文介紹了一種基于PCI總線(xiàn)的數據采集系統，利用ADLINK公司生產(chǎn)的PCI9820數據采集卡，實(shí)現對ZARLINK公司的射頻模塊GP2015輸出的中頻GPS數據的采集，數據存到硬盤(pán)上，以便后續的GPS基帶信號處理以及定位解算工作。數據采集處理系統框圖如圖1所示。

2、 PCI9820數據采集卡介紹

PCI9820 是一塊高速、高分辨率、高容量的PCI總線(xiàn)數據采集卡，配備兩路模擬輸入端，具備同步采集的功能。它提供60 MHz的內部時(shí)鐘基準，內部時(shí)鐘基準下，當兩組模擬輸入同時(shí)工作時(shí)，最高采樣率為60 MS／s，而外部鐘基準下可達到65 MS／s；而當選取一路模擬輸入，若啟用“乒乓”模式，內部時(shí)基下采樣率高達120 MS／s，外部時(shí)基下采樣率可以達到130 MS／s。

PCI9820 具備14 b的分辨率，14 b的A／D分辨率使得PCI9820在時(shí)域和頻域應用方面較為理想。輸入的范圍可由軟件選擇，提供-1～1 V或是-5～5 V兩種范圍。輸入阻抗可以通過(guò)手動(dòng)跳線(xiàn)位于板卡背面的J6和J7，提供兩種選擇，分別為50 Ω和1 MΩ。

PCI9820 可以提供多樣的觸發(fā)選擇，觸發(fā)源包括軟件觸發(fā)、模擬觸發(fā)與數字觸發(fā)。模擬觸發(fā)功能提供多種觸發(fā)條件的選擇，數字觸發(fā)則提供上升沿觸發(fā)與下降沿觸發(fā)兩種選擇?？色@得的觸發(fā)模式有后觸發(fā)、預觸發(fā)、延時(shí)觸發(fā)和中間觸發(fā)。對于有極短暫間隔的連續觸發(fā)事件，可以用重復觸發(fā)模式獲取數據。在應用多卡同步功能時(shí)， PCI9820可以接受來(lái)自于SSI接VI及外部SMB接口的5 V／TFL數字觸發(fā)信號，并且多卡共用時(shí)鐘及觸發(fā)信號。

PCI9820延續凌華在DAQ-2000系列上的設計，提供自動(dòng)校正功能，使用者只要通過(guò)一個(gè)軟件指令，就可以激活PCI9820上的自動(dòng)校正功能，完成模擬輸入信道的校正工作，不需要任何繁雜手工操作。

PCI9820 在數字設計方面，采用標準的SODIMMSDRAM來(lái)儲存資料。因為PCI9820的單一信道所產(chǎn)生的數據流，已超過(guò)了33 MHz、32 b PCI總線(xiàn)的頻寬，所以數據在傳輸到計算機之前都記錄在板載SDRAM中，然后再通過(guò)總線(xiàn)控制DMA傳輸到主機內存中。當數據的速度超過(guò)PCI總線(xiàn)帶寬時(shí)，板卡上的內存容量相對就顯得重要。PCI9820的標準版本配備64 MB的內存，最高可支持到512 MB，可提供單一信道采集頻率達130 MS／s時(shí)，長(cháng)達數秒的儲存空間。如果板卡的數據輸出小于PCI帶寬，PCI9820可以配置板載3k采樣數量的FIFO旁路SDRAM，完成直達主機內存的實(shí)時(shí)數據傳輸。在一個(gè)多用戶(hù)或者多任務(wù)操作系統中，單獨分配一塊大的連續的內存用于DMA傳輸是很困難的，所以PCI9820提供了聚散DMA功能，它能把分散的內存塊連接成一個(gè)互連的表列，從而可以不受分散小容量?jì)却鎵K的影響實(shí)現大容量數據傳輸。其結構框圖如圖2所示。

3、 GPS射頻芯片GP2015簡(jiǎn)介

GP2015 是ZARLINK公司生產(chǎn)的TQFP封裝的小型射頻前端芯片。GP2015提供一個(gè)低功率、低成本和高可靠性的GPS射頻前端解決方案。GP2015包括一個(gè)片上合成器、混頻器、自動(dòng)增益控制（AGC）和一個(gè)提供符號和量級數字輸出的量化器，構成一個(gè)完整的GPS接收機射頻前端電路僅需要極少的外部元件?？梢耘c12信道GPS相關(guān)器GP2021或者GP4020等GPS基帶處理器配套使用，適合C／A代碼全球定位的衛星接收機、時(shí)間標準、導航和測量的應用。

射頻前端主要由GP2015芯片及外圍濾波電路構成。GP2015的輸人信號是自天線(xiàn)下行，經(jīng)前置放大器濾波、放大后的GPS信號 （L1波段為1 575.42 MHz）作為輸入信號與鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生的第一本振信號（1.4 GHz）混頻，經(jīng)濾波得到差頻信號（175.42 MHz）。該信號與第二本振信號（140 MHz）混頻，經(jīng)過(guò)聲表濾波器中心頻率選擇得到差頻信號（35.42 MItz）。該信號隨后進(jìn)入中頻信號主放大器，這一部分由兩個(gè)AGC（自動(dòng)增益控制）放大器和三級變頻器組成。信號首先經(jīng)過(guò)AGC放大，然后與第三本振信號（31.11 MHz）混頻，經(jīng)過(guò)低通濾波器選出中頻信號（4.309 MHz）。該中頻信號一路送往片內A／D轉換器，一路送往管腳1供測試使用。

在片內該中頻信號隨后進(jìn)入A／D轉換器進(jìn)行2 b量化后，模擬信號轉換為二位數字信號——符號和模（SIGN和MAG），分別表示輸出信號的極性和幅度值，它們來(lái)自于中頻模擬信號通過(guò)比較器比較之后實(shí)時(shí)輸出的比較結果。比較結果的輸出被基帶相關(guān)器提供的時(shí)鐘信號（5.714 Mttz）鎖定，鎖定后使4.309 MHz的信號變頻到1.405 MHz的數字信號。該數字信號輸出給基帶處理器做進(jìn)一步處理。

這里使用的是GP2015第一管腳的4.309 MHz的模擬中頻信號，送到PCI9820數據采集卡，按照一定采樣率，采集得到數字中頻GPS信號。

用GP2015 構建射頻模塊還包括外圍濾波器的設計，射頻濾波器的作用是濾除帶外干擾，特別是濾除1 224．58 MHz的鏡像噪聲，避免射頻前端第一級混頻器過(guò)載。該濾波器還有助于對900 MHz的移動(dòng)電話(huà)所帶來(lái)的干擾進(jìn)行濾除。射頻濾波器引入的插入損耗需要由LNA前置低噪放大器做出補償。

4、采樣方案及信號頻譜分析

4.1 采樣方案

GP2015 輸出4.309 MHz的模擬中頻信號，而GPS的C／A碼帶寬為2.046 MHz，因此GPS信號所占頻帶為3.286～5.332 MHz，中頻信號的最高頻率為fH=5.332 MHz。按照Nyquist低通采樣定理，當采樣頻率fs≥2fH時(shí)，就能夠從采樣后的數據中無(wú)失真地恢復出原來(lái)的信號，信號在時(shí)域的采樣等效于在頻域的周期延拓，使fs≥2fH就是為了保證采樣后的信號頻譜不重疊，因此可知采樣頻率最低為fs=10.664 MHz。但采樣頻率越高，后端數字基帶處理的數據處理量就越大，對實(shí)時(shí)處理GPS信號帶來(lái)了困難。所以工程實(shí)際中經(jīng)常使用帶通采樣技術(shù)，降低采樣率，有利于簡(jiǎn)化硬件、降低成本，同時(shí)減輕后續數據處理的壓力。

對于GPS中頻帶通信號，其帶寬為B=2.046 MHz，只要取fs≥2B的某些值，就可以保證采樣后的信號頻譜不重疊。這種采樣方式就稱(chēng)為帶通采樣（Band-Sampling），又叫欠采樣（Under-Sampling），帶通采樣頻率fs可由下式確定：

當n=2時(shí)，fs范圍：5.332 MHz≤fs≤6.572 MHz，因此在工程實(shí)際中，與GP2015配套的基帶芯片GP2021（GP4020）提供的采樣時(shí)鐘頻率為5.714 MHz，欠采樣得到1.405 MHz的數字中頻信號。

PCI9820 采集卡的內部時(shí)鐘基準為60 MHz，可在軟件中設定對其進(jìn)行整數比率的分頻，即fs=60／n，n為整數，我們取n=10，得到采樣頻率fs=6 MHz，按此頻率對GPS中頻信號采樣得到1.691 MHz的數字中頻信號。實(shí)驗中還采用低通采樣頻率fs=12 MHz進(jìn)行對比實(shí)驗。

4.2 PCI9820雙緩沖數據采集模式

在DOS 環(huán)境下，一次DMA或中斷方式采集數據通常不能超過(guò)640 kB。在Windows環(huán)境下，一次DMA的數據量依賴(lài)于板卡的PCI控制芯片的尋址范圍和系統物理內存大小，雖然可能很大但仍無(wú)法實(shí)現較長(cháng)時(shí)間實(shí)時(shí)數據采集功能，而PCI9820提供的雙緩沖模式可以解決這一問(wèn)題。

雙緩沖一個(gè)是循環(huán)緩沖，一個(gè)是用戶(hù)緩沖。循環(huán)緩沖又分成兩個(gè)部分。采集的數據先寫(xiě)入循環(huán)緩沖區，當半滿(mǎn)時(shí)，循環(huán)緩沖區的前半部分寫(xiě)入到用戶(hù)緩沖區中。采集的數據繼續向循環(huán)緩沖區的后半部分寫(xiě)入。當循環(huán)緩沖區全寫(xiě)滿(mǎn)時(shí)，循環(huán)緩沖區的后半部分數據再寫(xiě)入用戶(hù)緩沖區中，此時(shí)，采集的數據會(huì )繼續寫(xiě)入循環(huán)緩沖區的前半部分。如此反復，每半滿(mǎn)一次，循環(huán)緩沖區的前或后半部分就會(huì )被寫(xiě)到用戶(hù)緩沖區中去，從而達到連續高速采集的功能。值得注意的是，雙緩沖方式涉及到內存的頻繁讀寫(xiě)，因此當采樣速率很高或是系統任務(wù)很繁忙的時(shí)候，可能會(huì )出現數據丟失現象。

4.3 采樣信號分析

按照前面介紹的采樣頻率方案以及PCI9820的雙緩沖數據采集模式，我們對GP2015的中頻信號進(jìn)行采集，數據存在計算機硬盤(pán)上，在Matlab軟件平臺下對這些數據進(jìn)行時(shí)頻分析，并進(jìn)行捕獲跟蹤處理。

結果表明當采樣頻率為6 MHz和12 MHz時(shí)，數據連續可靠，為后續軟件基帶處理提供了真實(shí)可靠的數據。圖3，圖4分別為采樣頻率為6 MHz和12 MHz的信號頻譜圖，圖5為以6 MHz進(jìn)行采樣的數據進(jìn)行相關(guān)捕獲運算，得到的9號衛星捕獲結果圖，表明數據完好可用。

5、 結語(yǔ)

利用PCI9820高性能數據采集卡和GP2015射頻模塊構建的GPS數據采集系統，利用該系統實(shí)現了對GPS信號長(cháng)時(shí)間連續采集，并對數據進(jìn)行了分析處理，結果表明數據連續完好，可用于后續基帶處理，實(shí)現了軟件GPS接收機，也為其他帶通信號的采集處理提供了參考。

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