一种基于匹配滤波器的GPS捕获单元设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于匹配滤波器的GPS捕获单元设计方法，包括如下步骤：GPS信号经过射频前端处理变成中频数字信号，然后经过数据量化单元重新量化成数字信号；数字信号经过数字正交变换单元变成I、Q两路正交信号；载波NCO和复数乘法器单元对I、Q两路正交信号进一步剥离载波，将其变成零频附近的基带信号；C/A码编码器生成本地的C/A码，在MF中利用本地生成的C/A码剥离I、Q两路正交信号中的伪码并完成相干积累；FFT模块将相干积分值变换到频域，输出32个频率点上的频域幅值，接着进行非相干积分，完成非相干积分以后输出最大值和该最大值对应的频率点和码相位。本发明专利技术加快GPS接收机捕获信号的速度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于匹配滤波器的GPS捕获单元设计方法
本专利技术属于GPS通信
，具体涉及一种GPS接收机的捕获方法，尤其涉及一种基于匹配滤波器(MF, Matched Filter)的GPS捕获单元设计方法。
技术介绍
新GPS、Galileo和BD-2信号比GPS C/Α码拥有更长的码长，这有助于减小卫星间的互相关性并使得卫星信号在对抗干扰时显得更加鲁棒。然而随着码长的加长，捕获时搜索的范围也在增加。对于这些的新的伪码，传统的顺序捕获算法已不再适用，因为它会带来无法忍受的捕获时长。过去几年在军用和室内应用方面，能够大幅提高捕获性能的并行捕获单元已经被提了出来。这些捕获单元通常被设计成只捕获特定的伪码，不能捕获多种模式的卫星信号。
技术实现思路
专利技术目的针对上述现有技术存在的问题和不足，本专利技术的目的是提供一种基于匹配滤波器的GPS捕获单元设计方法，解决现有GPS接收捕获时间长和捕获码模式单一的问题，加快GPS接收机捕获信号的速度，提高接收机的动态性能，并能实现对不同卫星信号的捕获。技术方案为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为一种基于匹配滤波器的GPS捕获单元设计方法，包括如下步骤(I)GPS信号经过射频前端处理变成中频数字信号，然后经过数据量化单元重新量化成位宽为3bit的数字信号；(2)所述数字信号经过数字正交变换单元变成I、Q两路正交信号，中频接近30K ；(3)载波NCO(Numerical Controlled Oscillator,数字控制振荡器)和复数乘法器单元对I、Q两路正交信号进一步剥离载波，将其变成零频附近的基带信号，其中只含有多普勒频率成分；(4) C/Α码编码器生成本地的C/Α码，在匹配滤波器中利用本地生成的C/Α码剥离I、Q两路正交信号中的伪码并完成相干积累；(5)快速傅立叶变换模块(FFT模块)将相干积分值变换到频域，输出32个频率点上的频域幅值，接着进行非相干积分，完成非相干积分以后输出最大值和该最大值对应的频率点和码相位。本专利技术中，C/Α编码器的参数可配置以生成对应不同卫星和不同导航系统的，数字正交变换单元的本地信号通过查表的方法获得。进一步地，捕获状态下，所述匹配滤波器利用本地的C/Α码剥离所述伪码，实时的完成2046个码相位的搜索；综合考虑芯片的面积和处理速度，MF的长度并不采用2046byte 而是设定为256byte，一次完成64个码相位的搜索，重复该过程32次完成对一颗卫星2046 个码相位的搜索。进一步地，所述匹配滤波器采用前后RAM结构，其中前置的RAM实时的存储基带信号，后置的RAM存储每个相位输出的相干积分值,完成64个码相位相干积分后将相干积分值变换到频域，将频域幅值存于非相干积分(或称“积累”)RAM ;重复这个过程32次，直到完成所有2046个码相位和32个频率点的搜索，输出最大值和该最大值对应的频率点和码相位。为了进一步减小非相干积累的RAM空间并考虑到粗捕获对捕获到的多普勒精度要求不高，在FFT模块最后输出的是相邻两个频率点上的频域幅值的均值，即分别输出第I 个频率点和第2个频率点上的频域幅值的均值、第3个频率点和第4个频率点上的频域幅值的均值、…、第31个频率点和第32个频率点上的频域幅值的均值，这样在粗捕获时能够减少一半的存储空间，从而减小芯片面积，同时使得输出的频率精度满足要求。有益效果本专利技术考虑到满足用户对接收机首次定位时间(捕获时间占主要部分)性能和支持多种导航系统的要求，充分利用MF的快速性和灵活性。利用MF的快速性， 可以大幅度提高对卫星信号的捕获速度，减少捕获时间和首次定位的时间；利用MF的灵活性，可以根据需要软件配置不同导航系统的伪码，实现对不同导航系统的支持和多模导航。 本专利技术采用匹配滤波器和快速傅立叶变换模块相结合实现对卫星信号的捕获，与传统的接收机利用滑动本地C/Α码和固定的相关器长度不同，而是固定本地C/Α码，对不断输入的卫星信号进行实时的捕获，速度快，灵敏度高。同时结构的灵活性，允许通过配置不同的参数实现对不同码结构的导航卫星信号的捕获。附图说明图I是GPS捕获原理图2是传统GPS捕获单元框图3是本专利技术提出的GPS捕获单元框图4⑷是MF单元的设计框图4 (B)是匹配滤波器的设计框图5是整个捕获过程的数据处理流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。如图I所示是GPS捕获原理图，其中包含地面GPS接收机(简称“接收机”)107、 GPS卫星(简称“卫星”)10UGPS卫星102,GPS卫星103、接收机到卫星101的伪距104、接收机到卫星102的伪距105、接收机到卫星103的伪距106。主要过程是，101、102和103等卫星所发射的I载波信号的中心频率为1575. 42MHz，但是由于卫星与接收机107在两者连线(104、105或106)方向上的相对运动所引起的多普勒效应、接收机晶体振荡频率漂移和卫星始终频漂等因素，接收机107实际接收到的卫星载波信号的中心频率一般不再等于信号被发射时的I标称频率，这就需要接收机107在载波一维内对信号进行搜索。同时由于卫星到接收机的距离时刻在发生变化，加上接收机107的时钟相对于GPS时间的偏差又不固定，因而接收信号的伪码相位值也是在时刻改变，所以接收机107还需要在码相位一维内对信号进行搜索。另外，接收机107还要对具有不同PRN号的101、102和103等卫星依次完成上述的二维搜索完成整个捕获过程。为了能让接收机在启动后成功的跟踪、锁定某颗可见卫星的信号，接收机必须实现能估算出该信号的载波频率和C/Α码相位值，并且这些信号的参数估计值的误差必须分别小于载波环和码环的牵入范围，然后接收机根据这些信号参数值初始化跟中环路的载波数控振荡器和码数控振荡器，这样跟踪环路才能随对接收信号进行牵入与镇定，直至最后成功地进入正常的跟踪状态。图2是传统接收机捕获单元结构框图，其中包含输入信号201、载波NC0202、相关器组203、FFT单元204、后积累RAM205、MAX单元206。输入信号201是含有固定频偏和多普勒频率的I、Q两路基带信号，它是GPS射频信号经过射频前端下变频为数字中频信号，又经过重新量化、抽取和二次下变频而得到。载波NCO 202提供两路正交的载波信号，通过旋转相乘剥离掉固定频偏，将I、Q两路变成只含多普勒频率的基带信号。在相关器组203中，有20个相关器并行的对基带信号进行处理， 每个相关的操作都是将本地C/Α与基带信号进行相关运算，不同的是每个相关器的本地C/ A码相位，每个相关器相差半个C/Α码相位，这里没有示出C/Α码发生器。相关器l/16ms输出一个相关累加值，对于Ims的相干积累实践总共输出16个相关值，FFT单元204在这16 个数值后面补零变成32个数据进行32点快速傅立叶变换，输出32个频谱值，FFT单元204 一般是分时复用，因为FFT单元的运算量较大，并行运算需要更大的面积和功耗。FFT单元输出的32频率幅值包络根据的本地C/Α码相位存储在后积累RAM20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于匹配滤波器的GPS捕获单元设计方法，包括如下步骤：(1)GPS信号经过射频前端处理变成中频数字信号，然后经过数据量化单元重新量化成位宽为3bit的数字信号；(2)所述数字信号经过数字正交变换单元变成I、Q两路正交信号，中频接近30K；(3)载波NCO和复数乘法器单元对I、Q两路正交信号进一步剥离载波，将其变成零频附近的基带信号，其中只含有多普勒频率成分；(4)C/A码编码器生成本地的C/A码，在匹配滤波器中利用本地生成的C/A码剥离I、Q两路正交信号中的伪码并完成相干积累；(5)快速傅立叶变换模块将相干积分值变换到频域，输出32个频率点上的频域幅值，接着进行非相干积分，完成非相干积分以后输出最大值和该最大值对应的频率点和码相位。

【技术特征摘要】
1.一种基于匹配滤波器的GPS捕获单元设计方法，包括如下步骤(1)GPS信号经过射频前端处理变成中频数字信号，然后经过数据量化单元重新量化成位宽为3bit的数字信号；(2)所述数字信号经过数字正交变换单元变成I、Q两路正交信号，中频接近30K；(3)载波NCO和复数乘法器单元对I、Q两路正交信号进一步剥离载波，将其变成零频附近的基带信号，其中只含有多普勒频率成分；(4)C/Α码编码器生成本地的C/Α码，在匹配滤波器中利用本地生成的C/Α码剥离I、Q 两路正交信号中的伪码并完成相干积累；(5)快速傅立叶变换模块将相干积分值变换到频域，输出32个频率点上的频域幅值， 接着进行非相干积分，完成非相干积分以后输出最大值和该最大值对应的频率点和码相位。2.根据权利要求I所述一种基于匹配滤波器的GPS捕获单元设计方法，其特征在于 捕获状态下，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王镇，杨军，杨胜远，卢培，虞海宇，蔡伟，牛玉祥，
申请(专利权)人：江苏东大集成电路系统工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：