GPS C／A碼發(fā)生器的仿真研究與FPGA設計

摘要：全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)能夠向全球范圍內(nèi)的用戶提供全天候的高精度導航、定位和授時服務，在軍用和民用領域得到了廣泛的應用。以GPS系統(tǒng)的測距碼粗碼C/A碼為研究對象，在深入研究C/A碼信號生成原理的基礎上，利用Matlab中的Simulink對C/A碼信號的生成進行了建模、仿真和分析，并利用FPGA設計并實現(xiàn)了C/A碼發(fā)生器，詳細說明了C/A碼生成的設計原理，對其中的關鍵模塊進行了設計和分析，給出了具體實現(xiàn)方案，同時闡述整個應用程序的流程，設計采用抽頭選擇控制端設置產(chǎn)生不同GPS衛(wèi)星號的C/A碼，最終仿真進一步驗證了其結(jié)果的正確性，它可以產(chǎn)生任意GPS衛(wèi)星號的C/A碼，設計中采用VHDL語言實現(xiàn)的C/A碼程序，可應用于基于FPGA的GPS接收機設計中，對研究我國的北斗導航系統(tǒng)接收機有一定的借鑒意義。

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)可在全球范圍內(nèi)，全天候為用戶連續(xù)地提供高精度的位置、速度和時間信息。目前，GPS已被應用于軍事、航海、航空、測量、交通、勘測等幾乎一切與位置、速度、時間有關的人類活動中。自從GPS系統(tǒng)建立以來，世界上對于GPS及其應用技術的研究越來越普及。而關于與用戶聯(lián)系最為緊密的GPS接收機的研究是其中的研究熱點。在GPS接收機的設計和研究中，為了捕獲和跟蹤GPS信號，首先就要對C/A碼信號進行碼剝離，為此，需要在本地復現(xiàn)與接收機接收的同相位的C/A碼信號。因此，關于GPS信號C/A碼生成的仿真研究就具有一定的意義。GPS衛(wèi)星信號包括載波信號、測距碼和數(shù)據(jù)碼。其中的測距碼粗碼即C/A碼(Coarse Acquisition Code)除了作為粗測碼外，還由于其具有碼長短，易于捕獲的特點而作為GPS衛(wèi)星信號的捕獲碼，因此C/A碼是GPS信號捕獲以及接收機實現(xiàn)的基礎。文獻利用Matl ab對C/A碼進行了仿真研究，文獻對C/A碼生成進行了硬件仿真。

文中針對GPS全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)ICD接口文件中C/A碼的編碼方式，在Matlab仿真的基礎上。設計出一種基于FPGA的C/A碼發(fā)生器，通過VHDL語言編程實現(xiàn)了測距碼的仿真，其結(jié)果表明設計的正確性。

1 基本原理

GPS衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)是一種無線電導航定位(Radio Navigational Satellite Service，RNSS)系統(tǒng)，利用高空中的GPS衛(wèi)星，向地面發(fā)射L波段的載頻無線電測距信號，由地面上用戶接收機實時地連續(xù)接收，并計算出接收機天線所在的位置。GPS衛(wèi)星發(fā)射L1和L2兩種波段的載波，系統(tǒng)采用碼分多址(CDMA)技術來區(qū)分各顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星都有自己特定的偽隨機噪聲碼(PRN碼)結(jié)構(gòu)。C/A碼時鐘速率為1.023 MHz，碼長為1 023 chip，周期為1 ms。用于快速捕獲導航信號和實時粗略定位。GPS系統(tǒng)的L1信號調(diào)制有兩種偽碼，粗捕獲碼(C/A碼)和精密碼(P碼)。L1頻率上的GPS信號表達式如下：

C/A是Gold碼序列，由兩個10位移位寄存器G1和G2產(chǎn)生長度為210-1=1 023位的最大長度偽碼(PN碼)。C/A碼是由G1的直接輸出和G2的延時輸出異或的結(jié)果，是長度為1 023的±1序列。其發(fā)生器如圖1所示。G2的時間延時取決于選取的兩個點的位置，這兩個點的選取和衛(wèi)星的ID是一一對應的。

如圖1所示C/A碼發(fā)生器是由兩個10級反饋移位寄存器組成的，上面的移位寄存器產(chǎn)生m序列G1，下面移位寄存器產(chǎn)生m序列G2。G1和G2碼的特征多項式是：

G1(x)=1+x3+x10

G2(x)=1+x1+x2+x3+x6+x8+x9+x10 C/A碼是G1碼與G2碼的模2和的結(jié)果，通過在G2寄存器不同位置反饋抽頭，可產(chǎn)生不同的延遲偏置。選擇不同的等價序列G2和G1相異或，可以得到不同結(jié)構(gòu)的C/A碼，C/A碼可表示為：

G(t)=G1(t)·G2(t+iTc)

i是大于等于0的整數(shù)。G1和G2的周期為1 023，碼速率均為1.023 MHz，因此，周期都是1 ms。采用不同的可以產(chǎn)生1023種不同結(jié)構(gòu)的乘積碼，再加上G1和G2本身，共有1 025種結(jié)構(gòu)不同的C/A碼。

2 C/A碼發(fā)生器的實現(xiàn)方法

C/A碼的產(chǎn)生需要G1和G2碼序列，G1和G2的一個周期總數(shù)為1 024，而C/A碼截斷一位，因此，在第1 023個碼元之后的下一個脈沖要進行復位操作。采用VHDL編寫各個m碼產(chǎn)生器，編寫的依據(jù)是m碼產(chǎn)生原理及其仿真。

2.1 G1碼發(fā)生器設計

G1碼序列是一個10級反饋移位寄存器所產(chǎn)生m序列，根據(jù)C/A碼發(fā)生器整體需要，還需要在設計G1碼發(fā)生器本身上再加上控制信號端。將編寫好的VHDL語言程序在Quartus II環(huán)境中進行編譯，并生成相應元件符號。用QuartusII模擬器對該模塊進行時序仿真。

圖2中，clk端為同步時鐘脈沖：1.023 MHz，en端為使能端，高電平“1”有效;reset端為復位端，高電平“1”有效，在reset下降沿以后開始輸出G1碼序列，每個時鐘上升沿輸出一個碼字，依次為：“1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，0，0，0，1，1，1，0，0，0，……”

2.2 G2碼發(fā)生器的設計

G2碼發(fā)生器的設計方法與G1相同，只是多了一個平移選擇器，平移選擇器的不同組合可以產(chǎn)生多種結(jié)構(gòu)不同的m碼，所以，G2的設計要比G1多一個平移選擇器的控制項。本設計通過選擇不同的抽頭得到不同的m序列碼結(jié)構(gòu)。用Quartus II對該模塊進行時序仿真。

如圖3所示，clk端為同步時鐘脈沖1.023 MHz;en端為使能端，高電平“1”有效;reset端為復位端，高電平“1”有效;pio_ca為相位選擇段。仿真以0號平移選擇器為例的，即選擇的抽頭為該10級反饋寄存器的2和6。系統(tǒng)在reset同步下降沿以后開始輸出G2碼序列，每個時鐘上升沿輸出一個碼字，依次為：

“0，0，1，1，0，1，1，1，1，1，0，0，1，0，1，1，0，1，0，……”

2.3 C/A碼發(fā)生器的FPGA設計

在Quartus II環(huán)境中，將生成的G1碼和G2碼的發(fā)生器生成元件符號，以Schematic File的設計方式將G1和G2碼發(fā)生器組合起來，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還設計了一個帶時鐘異或運算模塊，用于接收全局時鐘同步。本次仿真以第一顆衛(wèi)星為例，相位輸入為“0000”。在Quartus II環(huán)境下，將總體設計電路圖進行編譯，并進行時序仿真，平移選擇器控制字仍設置為0，仿真圖如圖4所示。

圖4中，在系統(tǒng)reset同步以后，開始輸出C/A碼序列，每個時鐘上升沿輸出一個比特，依次為：“1，1，0，0，1，0，0，0，0，0，1，1，1，0，0，1，0，1，0，0……”。其中，clk端為同步時鐘脈沖：1.046 MHz，en端為使能端：高電平“1”有效，reset端為復位端：高電平“1”有效，pharse為相位選擇輸入，ca端：產(chǎn)生的周期為1 023 bit的C/A碼序列。

為了驗證FPGA仿真的正確性，利用matlab simulink軟件進行建模和仿真。利用延時單元構(gòu)成兩個10位的移位寄存器，并從移位寄存器輸出端選擇抽頭連接到異或門電路，將其輸出反饋，抽頭和反饋的連接按照GPS衛(wèi)星PRN編碼規(guī)則進行選擇，并把最終輸出結(jié)果連接到示波器單元觀察其仿真波形。建立的simulink仿真模型如圖5所示，運行的結(jié)果如圖6所示。從仿真的波形圖上可以看出，輸出的GPS第一顆衛(wèi)星PRN碼的C/A基碼也依次為：“1，1，0，0，1，0，0，0，0，0，1，1，1，0，0，1，0，1，0，0……”，前10個C/A基碼對應的8進制為1 440，與GPS系統(tǒng)第一顆衛(wèi)星的C/A碼完全相同。

3 結(jié) 論

結(jié)合GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)f1頻點C/A碼發(fā)生器的設計，在研究GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)ICD接口控制文件中C/A碼生成器原理的基礎上，給出了基于FPCA的碼生成器的設計方案。利用VHDL語言實現(xiàn)了G1碼和G2碼的產(chǎn)生，并設計實現(xiàn)了C/A碼，利用Matlab simulink建模仿真驗證了FPGA設計結(jié)果的正確性，該設計可以產(chǎn)生GPS系統(tǒng)衛(wèi)星號所對應的偽隨機碼，可以根據(jù)相位選擇的不同實現(xiàn)不同衛(wèi)星號的測距碼的產(chǎn)生。采用模塊化的設計方案，其研究結(jié)果對研究我國北斗導航接收機的設計具有一定的參考意義。