CN101819276A - 一种gps l1信号中频数据采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种GPS L1信号中频数据采集系统及方法，其特征在于包括第一、第二天线，前端模块电路，USB接口控制器芯片和上位机。本发明方法首先通过天线接收GPS L1载波信号，将信号输入到前端模块，模块能够完成对信号的低噪声放大，带通滤波，下变频并A/D模数转换，得到数字量化的4.092M中频卫星信号，最后通过支持高速数据传输模式的通用串行总线USB控制器将数据传输到上位机中的一种系统，可以对采样得到的中频信号进行高速实时的传输。

Description

一种GPS L1信号中频数据采集系统及方法

技术领域

本发明涉及一种GPS L1信号中频数据采集系统及方法，特别适用基于GPS L1单频信号的软件接收机等卫星导航领域。

背景技术

随着“全球卫星定位系统(GPS)”面世以来，系统最初只是面向于满足美国军方部门的需要，随着技术的发展，在大地测量、工程勘探、车载导航、紧急救生等民用领域也显示出了广阔的应用前景，国外接收机的研究和开发已经相对成熟，而在国内，由于诸多因素的限制，虽然对GPS的应用起步较早，但是对GPS核心技术研究进度较慢，通常都是在购买国外企业的GPS OEM板的基础上从事应用层面的开发，迄今为止，我国还没有将GPS OEM板形成产业化的厂家，因此，有必要进行具有自主知识产权的GPS软件接收机的研发，推动及完善国内导航领域的发展。

GPS接收机可按照功能分为三个部分：射频前端、捕获与跟踪、PVT解算。射频前端作为接收机的主要部分它的作用在于对GPS信号的接收，对接收到的微弱信号进行放大，在频率高且相对较窄的信道带宽中采用带通滤波衰减带外干扰信号，得到所需的信号，然后下变频，最后量化输出得到符合基带处理要求的数字中频信号，接受机的灵敏度也由前端决定。因此射频前端是GPS软件接受机的最基础部分，并且为了基带的处理需求，需要实时高地将量化的数据传输到上位机中进行处理。

GPS软件接收机是基于软件无线电基础思想上的，传统的GPS接收机一般使用专门的ASIC进行信号处理，在系统升级的时候需要改动硬件的结构，不仅不利于随着系统结构应用的更新升级，更增加了系统的升级成本，因此软件接收机应运而生，软件接收机简化了传统硬件接收机的捕获跟踪及PVT解算硬件单元，也即只有从天线至射频前端部分，这样使得系统重新设计时能以相对较低的成本达到更新系统要求，与此同时，对信号捕获跟踪与导航定位解算都在软件部分实现，使得系统具有极大的灵活性，可以使用不同算法调试系统，同时便于和其他系统在不同层面的集成，对于追求GPS高性能的发展提供了可靠的基础，如对弱信号的捕获跟踪组合导航算法的研究，信号的快速搜索等，可以在软件上灵活的调试程序，并不需要像传统的接收机一样需要几乎改变系统的结构。并且这样的软件接收机在可移植性上也具有极大的优势，当需要在另一种应用环境平台下工作时只需要携带前端，然后简单的改变程序也可达到同样的导航目的。软件接收机适合于在学习、研究优化捕获跟踪算法和各层次的组合导航领域。

目前单频信号软件接收机在前端模块的构造中，信号处理主芯片的体积相对比较大，在某些环境的应用中需要更小的体积以实现相同的功能，而本发明采用更小的前端处理芯片4mm×4mm的封装。目前的接收机前端一般都采用一个有源天线，通过前端模块馈电供给天线来工作，若采用无源天线则需要更多的分立元件来实现，加重了电路设计的负担。而同时对于一些需要精度要求不高而功耗有特殊要求的场合，例如野外救援等应用下，接收机功耗太大将导致无法正常使用，因此针对目前这些应用需求，本发明采用了低功耗的前端处理芯片，同时采用了双天线的设计，在无源天线工作时候，更显著地降低了系统的功耗，在精度要求不高而功耗有要求的情况下，可以切换到无源天线进行相应的工作以实现相应的需要。

发明内容

本发明解决的问题是：克服传统硬件接收机的不足，提出一种基于软件接收机基础上的GPS L1单频信号的中频数据采集系统及方法，实时高速地将中频量化数据传入上位机进行基带处理。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种GPS L1信号中频数据采集系统，其特征在于包括第一、第二天线，前端模块电路，USB接口控制器芯片和上位机，其中前端模块电路：与第一、第二天线和USB接口控制器芯片相连，USB接口控制器芯片与上位机相连接。

所述的USB接口控制器芯片采用Cypress公司的EZ-USB系列芯片。

所述前端模块电路使用SiGe公司的GPS前端处理芯片。

一种GPS L1信号中频数据采集方法：

第一、第二天线(将卫星信号转换为相应的电流信号即GPS L1单频信号传输至前端模块电路进行下变频及A/D变换；

前端模块电路：接收从第一、第二天线得到的GPS L1单频信号，并对其进行低噪声放大，采用带通滤波器衰减带外干扰信号，下变频以及A/D变换并输出SIGN和MAG两路量化后的符合基带处理要求的数字中频信号到USB接口控制器芯片，并输出采样时钟CLK信号到USB接口控制器芯片以同步数据传输到上位机；

USB接口控制器芯片：使用通用串行总线，工作在高速传输模式，当接收上位机读数据命令时，实时地提交数据给上位机。

上位机：通过用户界面控制来自于前端模块电路的数据的读取和保存。

所述第一天线为有源天线，第二天线为无源天线，前端模块电路中GPS芯片通过其内的天线电流检测模块完成对工作天线的选择：当第一天线工作时，天线电流检测模块检测到电流大于设定的额定值，则将断开无源天线与后续混频电路的连接；当检测到电流小于设定的额定值，则将启动无源天线工作来接收GPS信号进行处理。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明针对单一天线GPS前端模块必须使用一个带开关的同轴电缆插座或者采用大量分立式组建感测连接外部天线，采用专门的GPS芯片可自动感测外部天线状态，并选择进行连接工作，显著的减少了天线电路设计的工作。本发明采用4×4mm的GPS芯片，并且只需较少的外围电路元件即可搭建一个完整的GPS射频前端电路，有效地降低了成本。

(2)本发明使用了双天线GPS芯片，工作在2.7V-3.6V，功耗较低，若有源天线不工作，自动检测启动无源天线完成GPS信号的接收，可以有效应用于低功耗的工作环境。

(3)基于GPS前端模块电路基础上的中频数据采集系统，组合了通用串行总线USB进行数据传输，具有热插拔、即插即用、提供电源等优点，并支持高速传输。同时接口体积小巧，并进一步缩小了整个采集系统的尺寸，增加了便携性，可方便连接于笔记本电脑中进行导航定位等应用。

附图说明

图1本发明的原理框图；

图2本发明所使用的GPS芯片内天线电流监测电路；

图3本发明所使用的GPS芯片内下变频电路；

图4本发明的所使用的USB接口控制器芯片内部结构图；

图5本发明所使用的USB接口控制器芯片与EEPROM连接图；

图6本发明的所使用的USB接口控制器芯片与前端模块电路的连接图；

图7为本发明所用固件程序流程图；

图8为本发明所用应用程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明的硬件主要由有源天线1、无源天线2、前端模块电路3、USB接口控制器芯片4、上位机5组成。

如图2所示为天线电流检测电路，本系统可以进行天线切换，主要由天线电流检测模块Antenna Current Detect来实现，ANT_FEED通过ANT_BIAS向外部有源天线提供正常工作所需的电压及电流。默认情况下，天线检测电路开关连通无源天线电路，使用无源天线Passive Antenna将信号通过LNA_IN端输入芯片，经过低噪声放大器LNA(LNA_Gain即为LNA处获得的增益)进入下一级电路。当天线电流检测电路检测到有外部电流消耗时，将切换到有源天线Active Antenna接收GPS信号通过ANT1_IN端输入芯片工作。同时电流检测模块提供了从ANT_DET脚的状态输出表示，当有源天线工作时，从该脚输出逻辑电平1，反之在无源天线工作时，则输出逻辑电平0，在不同的情况下，可以用于基带IC，也可以用于指示作用。当需要让有源天线停止工作时候，ANT_DET脚也可使用输入相对较低的电流来达到电流检测并切换天线到无源天线的功能，如下拉到地电平(至少大于300uA)，以表示无源天线需要工作。

如图3所示为GPS芯片内下变频电路，其中前端模块采用以SE4150主芯片为基础而设计的实现对1575.42MHZ的GPS L1信号处理的电路，主要实现对从天线接收到的信号进行滤波、放大、混频及AD转换量化输出。即为信号经过LN Buffer后(获得Mix Gain增益)，分为两路信号分别与锁相环PLL(TCXO IN为PLL提供需要的时钟)产生的本地I，Q两路信号进行混频，混频后通过中频滤波器IF Filter进行中频滤波得到需要的频率，再分别经过45度倒相及信号混合处理得到一路信号，自动增益控制AGC Controller提供50dB的增益控制范围，以使信号处于ADC可处理的最佳电平，最后通过ADC采样输出MAG和SING两路数字信号。由于晶振及声表面滤波器SAW不易集成到RF电路的芯片内，所以需要外围模块提供GPS芯片工作所需16.368MHZ的时钟频率，为了得到相对稳定的时钟，采用了TCXO；以及设计中使用了中心频率在1575.42MHZ、带宽为20MHZ的声表面滤波器。对于声表面滤波器的选用，有源天线的信号在接入芯片时不需要使用。而对于无源天线，为了得到更好的GPS信号，在本发明中使用声表面滤波器进行带外滤波，以免GPS接收机受大功率发射机信号干扰，对无源天线接收到的信号滤波后输入到低噪声放大器LNA中进行放大，然后进入下一级电路，LNA的噪声系数对整个系统的灵敏度有极大的影响。

采用的SiGe公司最新的SE4150芯片并未使用传统的多级混频以达到下变频的目的，而采用了使用积分后的I，Q两路信号分别进行混频，达到镜频信号的抑制，同时确保了接收机系统的灵敏度，所以不需要更多分立的元件来实现，降低了成本和设计需要。混频后输出的两路信号经过3阶巴特沃斯中频滤波器(4.092MHZ的中心频率，带宽2.2MHZ)进行滤波，然后输出的两路信号进入90度相差的信号混合电路处理，输出所需要的4.092MHZ的中频信号。

输出的信号最终通过2-bit的ADC进行模数转换，同时以可以提供50dB增益控制范围的自动增益控制器使输出信号保持稳定状态。ADC以温补晶振提供的16.368MHZ采样时钟在时钟上升沿对信号进行采样转换，由于在上升沿采样，而对采样数据进行量化处理有一定的转换时间延时，所以在下一级电路不能同时在上升沿进行数据的读取，此时应该在时钟下降沿读取量化后的数据。

由于ADC是采样位数是2-bit，使用采样时钟是16.368MHZ，所以量化后的两位SIGN和MAG数据以两路输出的数据传输速率约为4.092MBps，这个速率对于支持高速传输模式(理论传输值60MBps，由于使用一个端点传输，相邻两次传输之间时间间隔太大，实际传输中最高速度约为32MBps)的USB接口控制器芯片来说，可以满足数据实时地传输到上位机中进行处理。

同时GPS芯片也提供了对系统低噪声放大器LNA和混频器Mixer增益及线性度(也即三阶截点IIP3)的配置，以满足不同工作环境的需要。如在环境影响要求比较高的情况下使用高增益及高线性模式，而对于在对没有显著的干扰源环境下可以低增益和低线性模式工作。

GPS芯片具有功耗低的特点，电源系统可以通过调节使接收机进入待机模式，此时整个芯片电路处于关断状态，只消耗极少的电流。也可以对低噪声放大器LNA进行控制使其停止工作，节省近5mA的电流。

如图4所示为USB接口控制器芯片内部结构图，采用了Cyexpress公司的EZ-USB FX2芯片，是一款集成了微处理器的USB2.0收发器，FX2的CPU采用增强型8051，提高了运行速度，增强了功能，同时，该芯片采用内部16K RAM用于程序和数据的读取。集成了串行接口引擎(SIE)、4KB的FIFO、通用可编程GPIF控制器等，集成度非常高。FX2提供了三种可用的接口模式：端口模式、GPIF控制器模式、从属FIFO模式，在本实例中采用了从属FIFO模式，即外部逻辑或外部处理器直接连接EZ-USB FX2的FIFO端点。本实例通过8位方式访问端点FIFO，此时对于外部主控制器而言，FX2只是普通的FIFO芯片，数据的传输完全由外部设备控制。FIFO采用异步从属FIFO模式，由于相对于USB接口控制器芯片的FIFO而言，外部主控制器相当于向FIFO写数据，因此在数据传输过程中使用数据自动输入模式进行将2位量化的符号和幅度数据向USB进行传输，因为自动模式下，增强型8051并不参与USB域与接口域之间的传输，因此可以达到高速数据的传输要求。

如图5所示为USB接口控制器芯片与EEPROM连接图。在USB接口控制器芯片上电未加固件前，USB核心对芯片进行初始配置，并把固件下载到芯片内的RAM中的过程，这个过程为枚举。FX2有3种枚举方式：内部默认加载、C0加载、C2加载。由于固件程序比较大，本实例中使用了如下C2加载枚举方式，如图5所示连接，选用具有I²C总线的EEPROM芯片24LC64，上电后，FX2在I²C端口检测到EEPROM第一个字节为0xC2，然后FX2从EEPROM中存放的PID/VID/DID传输到内部RAM中，从EEPROM下载的最后字节将会使8051脱离复位，8051执行固件代码，FX2设置RENUM为1，然后8051会按照固件代码内容再一次对设备进行重枚举。

如图6所示为USB接口控制器芯片与前端模块电路的连接框图，前端模块电路向USB接口控制器芯片提供两位量化的符号SIGN和幅度MAG位数据以及16.368MHZ的时钟信号。设置USB中FIFO的控制寄存器中WORDWIDE位为0，此时数据线宽为8位，占用B端口，连接SIGN和MAG至B端口相应管脚，由于FIFO采用异步自动输入工作模式，相当于对FIFO写数据，因此将16.368MHZ的时钟连接到USB接口控制器的SLWR脚控制数据的写操作。

由于前端GPS芯片没有多余独立的输出信号提供到下一级电路，因此需要自主地进行FIFO端点缓冲区FIFOADR[1:0]的选择，由于是写数据，即是选择IN端点作为数据缓存区，本实例中选择了端点6作为数据读入的端点，即配置FIFOADR[1:0]为10选择EP6。本实例工作在异步模式，使用不需要Slave FIFO接口输出时钟信号，内部时钟可设置为30MHZ或48MHZ。SLWR在低电平有效，每个时钟上升沿将2位的SIGN和MAG位数据锁定输入到端点缓冲区中。

如图7所示为固件程序主要流程图，需要编写相关的固件程序执行初始化USB芯片，包括设置一些特殊功能寄存器以实现相关的功能；作为USB接口与主机通信发送和接收数据；处理中断；使用Slave FIFO的接口协调控制USB控制器芯片与外部逻辑的数据传输。

在完成固件程序编写后，接下来需要编写驱动程序使上位机与设备进行通信，相当于硬件的接口，OS只有通过这个接口才能控制硬件设备的工作。包含总线、设备、主控制器驱动程序三个部分，其中总线和主控制器驱动程序操作系统已经提供，开发者只需要编写设备驱动程序即可，而设备驱动程序可以使用在Cyexpress公司提供的EZ-USB FX2开发包中的通用驱动程序，修改一些需要的参数后经过DDK编译即可直接使用，降低了开发难度；

如图8所示为应用程序流程图，最后则需要编写应用程序来完成对从前端模块AD并通过USB接口控制器芯片传输到上位机中数据的处理，即采集和测试传输来的数据，相当于用户直接控制的通信接口，并将数据保存为后续捕获、跟踪以及PVT解算作准备。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员共知的现有技术。

Claims (5)

1.一种GPS L1信号中频数据采集系统，其特征在于包括第一、第二天线(1、2)，前端模块电路(3)，USB接口控制器芯片(4)和上位机(5)，其中前端模块电路(3)：与第一、第二天线(1、2)和USB接口控制器芯片(4)相连，USB接口控制器芯片(4)与上位机(5)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种GPS L1信号中频数据采集系统，其特征在于：所述的USB接口控制器芯片(5)采用Cypress公司的EZ-USB系列芯片。

3.根据权利要求1所述的一种GPS L1信号中频数据采集系统，其特征在于：所述前端模块电路(3)使用SiGe公司的GPS前端处理芯片。

4.一种GPS L1信号中频数据采集方法，其特征在于：

第一、第二天线(1、2)：将卫星信号转换为相应的电流信号即GPS L1单频信号传输至前端模块电路(3)进行下变频及A/D变换；

前端模块电路(3)：接收从第一、第二天线(1、2)得到的GPS L1单频信号，并对其进行低噪声放大，采用带通滤波器衰减带外干扰信号，下变频以及A/D变换并输出SIGN和MAG两路量化后的符合基带处理要求的数字中频信号到USB接口控制器芯片(4)，并输出采样时钟CLK信号到USB接口控制器芯片(4)以同步数据传输到上位机；

USB接口控制器芯片(4)：使用通用串行总线，工作在高速传输模式，当接收上位机读数据命令时，实时地提交数据给上位机。

上位机(5)：通过用户界面控制来自于前端模块电路(3)的数据的读取和保存。

5.根据权利要求4所述的一种GPS L1信号中频数据采集方法，其特征在于：所述第一天线(1)为有源天线，第二天线(2)为无源天线，前端模块电路(3)中GPS芯片通过其内的天线电流检测模块完成对工作天线的选择：当第一天线(1)工作时，天线电流检测模块检测到电流大于设定的额定值，则将断开无源天线与后续混频电路的连接；当检测到电流小于设定的额定值，则将启动无源天线工作来接收GPS信号进行处理。

Images