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基于FPGA+DSP的GPS数字中频信号源设计

作　者: 刘市
导　师: 杨新民
学　校: 南京理工大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: GPS 数字中频信号源硬件平台 FPGA 频谱分析
分类号: TN741
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

全球定位系统可无疆域限制、全天候地、连续地为数量不限的陆、海、空、天用户提供精确的位置、速度和时间信息。伴随着已建成系统的现代化和新系统的建设热潮,以GPS为代表的卫星导航技术、产品、应用和服务也正处于飞速发展之中。而卫星导航定位接收机又是很重要的、市场需求数量巨大的用户终端。为了更加有效地进行卫星导航定位接收机设计与研究,本文以GPS系统为例,详细分析研究了GPS数字中频信号源的关键技术和实现方法。结合实验室在以往研制GPS接收机过程中积累的经验和知识,本文将GPS中频信号源的载波标称频点选定为4.309MHz,扩频码选定标称码速率为1.023MHz的C/A码,载波调制采用BPSK调制方式。主要开展的工作包括：1、首先从总体上规划整个GPS中频信号源的设计实现方案,选定FPGA+DSP架构的硬件平台,通过串口与上位机进行通信,并对DSP、FPGA所实现的功能进行划分。在此基础上,完成整个硬件电路的设计以及PCB板的布局设计和制板。2、然后对FPGA内部相关功能模块进行规划与设计,主要包括载波发生器模块、扩频码发生器模块以及导航电文缓冲模块。在分析、论述的基础上,选择合适的参数和设计方案。3、完成FPGA内部功能规划后,对其各个功能模块逐一实现,并进行仿真,通过查看仿真波形以验证设计的正确性与合理性。4、在完整的硬件平台上,下载用户程序,采用频谱分析仪对GPS数字中频信号进行验证与测试,测试结果表明本文设计的GPS中频信号源设计满足相关要求,达到了预期的效果。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-8
1 绪论  8-11
  1.1 引言  8
  1.2 课题研究背景及应用前景  8-10
  1.3 论文的内容及结构安排  10-11
2 GPS数字中频信号源设计基础  11-26
  2.1 GPS导航卫星信号的构成  11-12
  2.2 伪随机码C/A码分析  12-17
    2.2.1 m序列  12-14
    2.2.2 C/A码的生成  14-17
  2.3 载波信号  17-19
    2.3.1 载波多普勒频移  18-19
  2.4 导航电文  19
  2.5 GPS信号的调制  19-20
  2.6 扩频通信  20-22
    2.6.1 扩频通信概述  20-22
    2.6.2 扩频通信系统模型  22
  2.7 GPS数字中频信号源的概念  22-25
    2.7.1 GPS中频信号源的结构  24-25
  2.8 本章小结  25-26
3 GPS数字中频信号源设计模型及其硬件实现  26-56
  3.1 信号源总体设计  26-27
  3.2 信号调制生成模块—FPGA  27-36
    3.2.1 FPGA芯片选型及其介绍  28-30
    3.2.2 XC3S1400AN芯片的配置模式  30-31
    3.2.3 XC3S1400AN最小系统设计  31-32
    3.2.4 XC3S1400AN的扩展功能接口电路设计  32-36
  3.3 信号仿真模拟模块—DSP  36-41
    3.3.1 TMS320C6713B芯片介绍  36
    3.3.2 TMS320C6713B的硬件系统设计  36-41
  3.4 验证测试模块  41-47
    3.4.1 数模转换模块  42-43
    3.4.2 I-V信号调理模块  43-45
    3.4.3 平衡电流分析  45-47
  3.5 系统电源模块  47-52
    3.5.1 电源需求分析  47-49
    3.5.2 系统电源的分配管理  49-51
    3.5.3 系统电源的原理图设计  51-52
  3.6 PCB设计与实现  52-55
    3.6.1 PCB结构设计  52
    3.6.2 PCB叠层规划  52-53
    3.6.3 去耦/旁路设计  53-55
  3.7 本章小结  55-56
4 GPS数字中频信号信号源规划与设计  56-75
  4.1 DSP内部功能总体规划  56-57
    4.1.1 数字中频信号源数学模型建立  56-57
    4.1.2 中频信号源仿真规划与设计  57
  4.2 FPGA内部功能总体规划  57-59
  4.3 时基模块规划与设计  59-64
    4.3.1 时钟信号需求分析  60-61
    4.3.2 内部时钟管理  61-64
  4.4 载波发生器规划与设计  64-68
    4.4.1 载波NCO规划与设计  64-68
  4.5 C/A码发生器规划与设计  68-70
    4.5.1 码NCO规划与设计  68-70
    4.5.2 C/A码相位与历元计数器  70
  4.6 导航电文缓冲器设计与规划  70-74
    4.6.1 异步FIFO规划与设计  71-74
    4.6.2 并串转换器  74
  4.7 本章小结  74-75
5 数字中频信号的FPGA设计与实现  75-83
  5.1 开发与仿真工具  75
  5.2 时基模块的FPGA实现  75-77
    5.2.1 主时钟信号与系统复位信号的FPGA实现  75-76
    5.2.2 UART模块时钟信号的FPGA实现  76-77
  5.3 码发生器及直接序列扩频调制的FPGA实现  77-78
  5.4 载波发生器的FPGA实现  78-80
    5.4.1 载波NCO的FPGA实现  78-80
  5.5 导航电文缓冲器的FPGA实现  80-82
    5.5.1 异步FIFO的FPGA实现  80-81
    5.5.2 并串转换器的FPGA实现  81-82
  5.6 本章小结  82-83
6 系统的验证与测试  83-88
  6.1 测试与验证方法  83
  6.2 GPS中频信号与MTLAB仿真信号频谱对比分析  83-84
  6.3 接收机中频信号与信号源中频信号对比分析  84-85
  6.4 中频信号源内部相关信号的频谱分析  85-86
    6.4.1 复合码的频谱分析  85-86
    6.4.2 载波频谱分析  86
  6.5 不同载波频率控制字下中频信号频谱分析  86-87
  6.6 本章小结  87-88
7 结束语  88-89
  7.1 工作总结  88
  7.2 前景展望  88-89
致谢  89-90
参考文献  90-94
附录A 系统实物图  94-95

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