射頻直采GNSS數據采集系統的設計與實現*

郭 佩，李曉白，金 天，禹 劍

（北京航空航天大學 電子信息工程學院,北京100191）

隨著軟件無線電在衛星導航接收機上的廣泛應用，衛星導航接收機的硬件部分簡化為射頻前端和高速數據采集模塊兩部分。隨著GPS現代化和伽利略、北斗信號的發展，未來接收機必須能夠接收多個頻點的導航信號，為了避免多頻下變頻存在的多路頻率混頻的難題，可以在射頻上直接進行數字采樣和數據傳輸。

2009年，瑞士的洛桑聯邦理工大學設計出了多頻射頻直接采樣的前端，并對各級信號增益和三階截止點進行了詳細的評估。同時對多頻信號的采樣率要求進行了分析[1]。2009年，北京航空航天大學設計出了能夠同時在射頻上直接采集GPS L1、L2雙信號的接收機，采樣率為100 MHz[2]。

國內外目前對于多頻射頻直接采樣的高速數據采集部分研究很少，北京航空航天大學之前的方案只是做到雙頻的集成，采樣率較低。而洛桑聯邦理工大學的射頻前端方案成熟但是對于數據采集和定位分析的工作沒有論述。能夠同時接收GPS 3個頻帶信號、伽利略信號以及北斗信號的接收機需要的采樣率更高更難以實現。因此多頻直接采樣接收機的硬件設計工作在國內外均開展較少，其中高速數據采集以及多頻射頻前端設計是其中的兩個關鍵問題。

1 硬件系統設計

衛星導航系統軟件接收機的思想是讓寬帶A/D轉換器盡可能靠近射頻天線，盡早地將模擬信號轉為數字信號[3]，最大程度地用軟件來實現接收機的各種功能。

本文中數據采集系統的工作原理是，使用寬頻天線接收信號后，在射頻前端進行放大、濾波和增益控制工作。其中多頻技術需要使用分路濾波技術。前端輸出的信號被送到高速ADC進行采樣，其后通過FPGA進行緩沖和處理(如FIR數字濾波器處理等)。然后PFGA將數據封裝成幀結構通過以太網口將其傳送到主機上。主機在物理層抓獲以太網數據包，分析MAC地址后將需要的數據存儲到硬盤之中。

1.1 射頻前端設計

直接采樣的射頻前端與傳統的采用下變頻技術的接收機前端有所不同。如圖1所示，直接采樣的射頻前端使用高增益GNSS天線接收信號。而信號經過LNA作第一級放大后，經過1.1 GHz～1.7 GHz帶通濾波，再使用PA進一步放大。此后射頻信號分為3路,分別進行濾波、放大、再濾波后合并，之后使用AGC環路調節輸出信號功率。

圖1 射頻前端結構

下變頻前端的混頻器頻率由晶振提供，通過混頻對射頻信號進行多級下變頻，并進行放大和濾波,最后輸出中頻信號供ADC采集。

在射頻上直接進行采樣不需要本地晶振，但是所有放大器和濾波器均需要在射頻下工作。多頻前端需要對不同的頻帶進行分路濾波放大，同時將帶外噪聲盡可能地濾除掉。本系統使用了實驗室自行設計的射頻前端，能夠在ADC之前得到頻譜形狀如圖2所示的信號。它包括了 GPS的 L1、L2、L5信號和伽利略 E1、E5a、E5b以及部分北斗衛星的信號。表1列出了上述導航系統的信號頻率及帶寬。

前端將信號放大至ADC可以采樣的電平,對于ADC08D500，1 bit量化的信號最小輸入能量是-47.92 dBm[5]。GNSS天線的增益為50dB,兩級LNA增益共約35dB,PA增益20dB,前端總插入損耗約為20dB,AGC環路增益動態范圍為-35dB～+22dB，使用前端的增益足夠對信號進行4 bit采樣。

圖2 ADC采樣前信號頻譜

表1 前端可兼容導航信號列表

對于GNSS信號，超過2 bit采樣對信噪比的改善作用不是很明顯，而太高量化位數會增加數據處理的困難。本設計選擇存儲了1 bit和2 bit的采樣數據，但是在ADC采樣時仍然進行了8 bit采樣，以便于FPGA進行FIR濾波。經過FIR濾波以后的數據可以進行截位處理，即截取1 bit或者2 bit進行保存。前端設計的主要難點在于以下三個方面：射頻寬頻帶放大器容易飽和；分路放大再合路會給信號帶來很大損耗；射頻AGC電路需要進行特殊屏蔽處理。

1.2 采樣率的選擇

衛星導航系統使用擴頻通信技術，ADC采集的是噪聲信號，信號頻帶上的混疊相當于將其他頻帶信號作為噪聲混疊到目標頻帶中。因此可以容忍一定程度信號頻譜的混疊。對于GPS的3個頻帶，根據帶通采樣原理可以計算需要的采樣頻率。計算時不僅要求信號采樣后頻譜自身不混疊,同時不同頻帶的頻譜兩兩之間也不混疊。

對于 GPS的 L1、L2、L5信號 (實際也包括了伽利略的E1、E5a),采樣后頻譜不混疊可選用的最低采樣頻率是158 MHz。若考慮伽利略的E5b，直采系統的最低采樣率為227 MHz[1]。為了滿足不同采樣頻率的要求，本設計采樣頻率合成器生成多種采樣時鐘,使用FPGA的SPI對頻率合成器進行配置，本文1.3節中將會介紹多種采樣時鐘的生成方法。

1.3 ADC模塊的設計

ADC08D500是美國國家半導體公司生產的高速模數轉換芯片，其取樣率可高達500 MS/s，使用差分輸入,有效位數為8 bit,可以進行雙通道采樣,而功耗僅有1.4 W[5]。

ADC08D500除了單通道能實現最高采樣達500 MS/s的速率外，還能夠進行雙邊沿采樣(DES)，只對某一路通道的信號在時鐘信號的一個周期的上下兩個邊沿進行采樣，利用芯片內置的兩個轉換器進行交錯操作，最終達到1 GS/s的采樣率。

ADC采樣的時鐘來自于頻率合成器輸出的時鐘。為了滿足ADC采樣對于采樣時鐘的相位噪聲的要求，本設計使用了10 MHz的原子鐘作為頻率合成器輸入，通過FPGA的SPI將頻率合成器輸出配置成需要的頻率，如230 MHz。此外本文還使用了TCXO作輸入，對頻率合成器輸出信號的相位噪聲情況進行衡量。通過相位噪聲和時鐘抖動的情況計算出頻率合成器輸出時鐘總的抖動為1.24 ps，這個抖動情況能夠滿足ADC08D500對GNSS信號的采集需要。

ADC08D500的輸出有兩個通道四組8 bit差分總線，分 別 是 I[7:0]、Id[7:0]、Q[7:0]、Qd[7:0]， 另 外 還 有 兩 組輸出的差分時鐘做FPGA的數據采集時鐘。

1.4 高速數據傳輸設計

將衛星導航信號進行數字化時，通常將量化位數選取為 1 bit或者是 2 bit。當采樣率為 230 MHz時，2 bit采樣數據傳輸需要約60 MB/s的接口傳輸速度和硬盤寫入速度。千兆位以太網的理論速度達1 000 Mb/s，能夠滿足數據傳輸的需要，而且ISE工具自帶了Ethernet MAC IP核。因此，本文中采用以太網進行數據的傳輸。

使用以太網傳輸數據，可以在FPGA實現TCP/IP協議功能，也可以直接通過以太網的物理層進行數據傳輸。Virtex5 FPGA內部擁有嵌入式軟核處理器MicroB-laze，能夠進行FPGA內部的嵌入式開發。開發以太網時通常在嵌入式系統中添加TCP/IP協議棧，常用的TCP/IP協議棧是Lwip或者是Treck協議棧[6]。但是使用TCP/IP協議，協議的每一層都會在數據幀前添加各自的幀頭，再加上協議的一些檢錯重發等功能，真正待傳輸的數據的吞吐率是很低的，千兆以太網的速度通常只有200 Mb/s～300 Mb/s,不能滿足本系統對于數據傳輸率的要求。

在物理層直接傳輸數據，數據傳輸速率幾乎可以達到以太網的理論傳輸極限(實測能超過900 Mb，根據數據幀封裝不同有所差異）。雖然沒有TCP/IP協議中對丟包錯包等數據完整性問題的修正功能，但可以通過上層的校驗和序號發現數據幀錯誤和亂序。下文將討論在主機端如何在網卡上直接捕獲并存儲高速數據。

整個數據采集系統的結構如圖3所示,除了ADC電路的設計，主要工作在FPGA下完成。

圖3 高速數據采集模塊結構

1.4.1 FPGA數據預處理

本文使用Xilinx公司的Virtex5系列FPGA開發板ML506進行數字信號處理，開發環境基于ISE Design suite 11進行。

從ADC傳送出的數字信號為8對或者16對差分數據以及1路差分時鐘。對于采樣數據的截位處理可以分為直接截位和濾波后截位兩種處理方式。直接截位是只選擇其中的高位數據進行傳輸，濾波后截位是接收全部的8 bit數據，將數據送給數字濾波器處理后再進行截位，本文采用先濾波后截位的方法，可以選擇保存1 bit或者2 bit數據。

ADC08D500器件以230 MHz的高采樣率進行8 bit量化時，輸出數據率將非常大。單獨對其中任一導航信號頻帶來說，高達230 MHz的采樣率都是不必要的。對此，在FPGA中添加入FIR（有限沖激響應數字濾波器），分別濾出采樣后導航信號各頻帶，在使用截位輸出來降低量化位數的同時，使用抽取來降低采樣率。以GPS系統為例，當采樣率為230 MHz時，L1、L2和L5的中頻分別為 195.42 MHz、77.6 MHz和 26.45 MHz。因此， 在 FPGA中生成 3個 FIR（帶通 FIR）就可以濾除帶外信號，消除信號互相之間的干擾。具體實現方法是在MATLAB通過“ftdtools”濾波器設計工具，計算濾波器參數以生成 COE形式的濾波器文件。

將設計出的3個濾波器文件(.COE文件)導入FPGA的FIR IPcore中,就可以生成相應的濾波器Verilog代碼，即可獲得對應的頻率幅度響應圖，其效果如圖4所示。

圖4 帶通FIR的FPGA實現

FIR輸出數據可以根據數據傳輸能力和需要進行截位，一般只截取最高的符號位或者選取其中2位。數據分三路進行FIR濾波之后，即可對每一路數據進行降采樣處理。直接進行抽取就可以降低數據量和采樣率，這將降低后續數據處理復雜度。

在對三路濾波后信號進行傳輸過程中，通過以太網封裝幀給不同頻點信號賦予不同的MAC地址。主機捕獲時可以通過識別MAC地址的方法，將三路數據進行分類存儲。

1.4.2 以太網數據傳輸

V5系列FPGA開發板上有以太網物理芯片88E1111實現開發板與電腦網卡的以太網物理層連接，ISE 11套裝中的core generator可以生成Ethernet MAC IP核，直接例化它就可以進行以太網數據傳輸的開發[7]。其結構如圖5所示。

圖5 EMAC核的例化使用

直接接收ADC的輸出數據或者是FIR截位之后的數據作為圖6模塊中的用戶輸入數據。因為設置的MAC核按照字節來傳輸數據，所以在MAC核前面需要添加一個FIFO進行緩沖和串并轉換，進入FIFO的數據是1 bit或2 bit，按照整字節輸出數據。

圖6 標準以太網幀結構

直接發送的數據幀是以太網物理層的數據幀，高層協議（TCP/IP協議）并沒有使用到。

以太網數據幀的包頭首先是8 B的前導碼 (7 B原語和1 B幀起始）[7]，然后是6 B的目的MAC地址和6 B的源MAC地址，之后是2 bit的協議類型或數據包長度，中間是 46～1 500 B的數據內容，以及 4 bit的校驗位，如圖 6所示。基于EMAC核實現以太網絡協議數據報文的發送具體包括以下幾個步驟：數據輸出緩沖、MAC地址添加、數據FCS校驗和原語添加。最終經過MAC封裝以后，整個數據報文的長度為64～1 518 B。校驗位和前導碼是可以選擇自動添加的，所以在輸入數據時，通過編寫狀態機代碼添加正確的MAC地址，設置固定字節的數據包大小就可以讓數據正確地傳輸了。設計時設置每個數據幀除了幀頭信息以外有1 024 B的數據，正好是1 KB，即可方便地觀察數據包是否出錯和衡量整體數據傳輸完整性。

千兆位以太網使用的時鐘是ML506板載的晶振分頻出的125 MHz時鐘，通過FPGA內部的PLL合成。

1.4.3 上位機數據捕獲

因為FPGA發送數據時僅使用了以太網的物理層，所以在主機抓包的時候僅需要關注數據包的MAC地址信息即可，不需要再對TCP/IP協議進行分析和處理。

因此本文采用winpcap(windows packet capture)開放代碼來實現MAC數據報文的采集功能。winpcap能夠為win32應用程序提供訪問網絡底層的能力，因此獨立于TCP/IP協議的以太網數據包能夠被上層應用程序捕獲和保存。

由于一般的SATA硬盤的寫入速度在40 MB/s～80 MB/s，為了保證數據能夠完整寫入硬盤，應盡可能使用高速硬盤。同時，在編寫捕捉和存儲數據的軟件時，應該設立一定的緩沖區域。將網絡采集到的數據首先寫入內存之中，待累積了一段數據之后將其一次性寫入硬盤，以減少CPU時間分配對寫入數據完整性的影響。

2 實驗結果

通過SPI配置的不同采樣率對實際衛星信號進行采集，存儲下來的數據文件采用實驗室自研的捕獲算法可以成功地捕獲出GPS L1、L2、L5信號。圖7是在采集的一段數據中L2、L5信號的捕獲結果。通過與下變頻前端采集的數據進行對比分析可以發現，兩個系統捕獲到的衛星數量、編號、多普勒頻偏是一致的，但直接采樣數據的信噪比要略高。該實驗結果如表2所示。這說明該系統采集的數據是正確有效的。

本文介紹了使用射頻直接采樣技術的多頻GNSS數據采集系統的設計實現方法。本文首先提供了主要的硬件平臺結構設計方案，并對于射頻前端的電路設計和高速數據采集這兩個關鍵技術進行了詳細闡述。在此基礎上，本系統實現了多頻多系統衛星導航信號的采集功能，并且與下變頻方法采集的數據進行了對比。實驗表明，該系統在性能和可擴展性方面都要優于傳統的下變頻采集系統，具備很好的通用性。隨著技術的發展，更多更高性能的射頻放大濾波器件的價格不再昂貴，運用直接采樣技術的多頻衛星導航接收機將具備很大的發展空間。

圖7 L2、L5信號捕獲結果

表2 兩種前端采集到的數據的捕獲處理結果對比

[1]RIVERA P E，CHASTELLAIN F，BOTTERON C，et al.Design of a GPS and Galileo Multi-Frequency[A].VTC Spring 2009.IEEE 69th Digital Object Identifier:10.1109/VETECS.2009.

[2]Liu Hongquan,Kou Yanhong.Design and implementation of a GNSS signal collection system using direct RF sampling[A].Microelectronics&Electronics,2009.PrimeAsia 2009.Asia Pacific Conference on Postgraduate Research in Digital Object Identifier:10.1109/PRIMEASIA.2009.

[3]姜宇柏，游思晴.軟件無線電原理與工程應用[M].北京:機械工業出版社，2007.

[4]Mitel Semiconductor.GP2015 GPS Receiver RF Front End.1996.

[5]National Semiconductor Corporation.ADC08D500 High Performance,Low Power,Dual 8-Bit,500 MSPS A/D Converter.2008.

[6]ADAM D.Design and implemetation of the LwIP TCP/IP stack[M].Swedish:Institue of Computer Science.2001.

[7]Xilinx Inc.UG194“Virtex-5 FPGA Embeded Tri-mode Ethernet MAC User Guide”.2008.