Zuo Xiaopu 1, Yang Zufang 2, Pan Wei 3, Zheng Jiansheng 1, 3
(1. Sekolah Informasi Elektronik, Universitas Wuhan, Wuhan 430072, Hubei; 2. Sekolah Teknik Informasi, Institut Bisnis dan Teknologi Wuhan, Wuhan 430065, Hubei;
3. Pusat Penelitian Teknologi Navigasi dan Penentuan Posisi Satelit, Universitas Wuhan, Wuhan 430079, Hubei)
Sinyal pita dasar Sistem Pemosisian Global (GPS) dapat digunakan untuk pengembangan peralatan navigasi dan pemosisian, pengujian kinerja, dan pembuatan sinyal gangguan yang menipu. Penelitian tentang pembuatan sinyal baseband GPS dan modul kontrol berdasarkan field programmable gate array (FPGA), terutama melalui desain sirkuit perangkat keras dan penulisan kode perangkat lunak, menggunakan FPGA untuk menghasilkan kode C / A, kode P, dan sintesis frekuensi digital langsung DDS menghasilkan pembawa L1, L2, dan fungsi lainnya untuk mewujudkan output sinyal GPS penguatan multi-saluran yang dapat dikontrol secara bersamaan. Hasil pengujian menunjukkan bahwa desain ini memiliki gain output yang dapat disesuaikan dan frekuensi output yang dapat dikontrol, yang dapat memberikan beberapa sinyal baseband dan sinyal kontrol untuk modul frekuensi radio.
Nomor Klasifikasi Perpustakaan Cina: TN409
Kode identifikasi dokumen: SEBUAH
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.06.016
Format kutipan berbahasa Mandarin: Zuo Xiaopu, Yang Zufang, Pan Wei, dkk. Perancangan modul pembangkitan dan kontrol baseband GPS berdasarkan FPGA. Application of Electronic Technology, 2017, 43 (6): 64-67.
Format kutipan bahasa Inggris: Zuo Xiaopu, Yang Zufang, Pan Wei, dkk. Rancangan dan realisasi pembuatan baseband GPS dan modul kontrol berdasarkan FPGA. Application of Electronic Technique, 2017, 43 (6): 64-67.
0 Kata Pengantar
Dengan meningkatnya penggunaan GPS, masalah keamanannya juga menarik banyak perhatian. Dalam kasus peperangan informasi, ini telah menjadi sarana peperangan yang penting untuk mengganggu navigasi satelit dan sistem pemosisian musuh untuk mencegah pemosisian yang efektif. Dengan penelitian di bidang interferensi dan anti-jamming, sistem penentuan posisi GPS memiliki persyaratan yang lebih tinggi dan lebih tinggi untuk melawan interferensi.Bagaimana mengatasi semua jenis interferensi buatan dan non-buatan telah menjadi hotspot penelitian. Kode baseband yang dihasilkan oleh penelitian saat ini sebagian besar adalah kode C / A, dan sebagian besar adalah keluaran saluran tunggal.Membangkitkan beberapa kode pseudo dan mengeluarkan banyak sinyal GPS adalah arah pengembangan. Oleh karena itu, artikel ini mempelajari keluaran simultan dari beberapa sinyal GPS dan penggunaan FPGA untuk menghasilkan kode C / A dan kode P. FPGA memiliki fleksibilitas dan keandalan yang tinggi dalam desain sistem perangkat keras. Struktur kode baseband dapat diprediksi, yang nyaman untuk pembuatan dan pemrosesan berulang menggunakan FPGA. Dengan menggunakan FPGA untuk menghasilkan kode pita basis, Anda dapat mempelajari kode pita dasar dan menjelajahi pola kode baru, mengurangi kompleksitas sistem, dan meningkatkan integrasi sistem.
1 Skema keseluruhan sistem
Artikel ini terutama mencakup dua bagian: perangkat keras dan perangkat lunak. Bagian perangkat lunak mengacu pada penggunaan Verilog untuk menghasilkan kode baseband dan sinyal kontrol dan program C untuk mengontrol DDS untuk menghasilkan gelombang pembawa. Sirkuit perangkat keras terdiri dari FPGA, sirkuit kontrol C8051 dan sirkuit tambahan. Sinyal clock dan sinyal reset disediakan untuk FPGA dari luar. FPGA digunakan untuk menghasilkan kode baseband, sinyal kendali penguatan dan sinyal amplifikasi terkendali, dan port input dan output lain yang dicadangkan disediakan untuk tujuan lain. C8051 digunakan untuk memberikan sinyal kontrol ke DDS, dan jam referensi DDS disediakan oleh osilator kristal eksternal. Desain keseluruhan sistem ditunjukkan pada Gambar 1.
Sistem ini dibagi menjadi dua bagian: modul baseband dan modul modulasi frekuensi radio. Modul pita dasar menghasilkan sinyal pita dasar, yang dimodulasi oleh modul modulasi untuk mendapatkan L1 dan L2. Frekuensi f1 pembawa L1 adalah 1575,42 MHz, dan frekuensi f2 pembawa L2 adalah 1227,60 MHz. Setiap satelit GPS menggunakan dua frekuensi L-band L1 dan L2 untuk mengirimkan sinyal radio pembawa.
Artikel ini terutama memperkenalkan modul baseband. Sinyal clock eksternal 215 MHz disediakan untuk generator kode pita dasar, dan sinyal reset eksternal mengontrol generator kode pita dasar, yang digunakan untuk menyediakan kode C / A dan kode P dan sinyal kontrol penguatan ke bagian modulasi RF dari titik frekuensi L1 dan L2. Pada Gambar 1, 1-2 menunjukkan bahwa satu saluran dapat disediakan untuk Binary Phase Shift Keying (BPSK), dan dua saluran setelah konversi serial-paralel juga dapat disediakan untuk Quadrature Phase Shift Keying (Quadrature Phase Shift Keying). Shift Keying, QPSK). C8051 menyediakan DDS kontrol untuk menghasilkan sinyal gelombang sinus, setelah multiplikasi frekuensi, pembawa titik frekuensi L1 dan L2 diperoleh untuk modulasi pembawa. FPGA juga menyediakan sinyal diperkuat yang dapat dikontrol.
2 Implementasi modul baseband
2.1 Desain keseluruhan dari modul pembuatan pita dasar
Diagram skematik modul pembangkit baseband ditunjukkan pada Gambar 2. Sinyal clock yang disediakan oleh clock eksternal dibagi dengan frekuensi integer, dan clock 1,023 MHz yang diperoleh diberikan ke generator kode C / A, dan kemudian konversi serial-ke-paralel L1 dilakukan untuk mendapatkan kode L1 C / A dan dua output IQ-nya; clock 10,23 MHz yang diperoleh Dikirim ke generator kode P, satu kode P diubah oleh konversi paralel-seri L1 untuk mendapatkan keluaran dua saluran kode P L1 P; kode P lainnya adalah konversi paralel-seri L2 untuk mendapatkan kode L2 P keluaran dua saluran IQ, kode C / A Dan kode P juga bisa di-output secara langsung.
2.2 Modul pembagian frekuensi
Ada dua modul pembagian frekuensi: pembagian frekuensi 210 dari jam kode C / A dan 21 pembagian frekuensi dari jam kode P untuk mendapatkan sinyal clock masing-masing sekitar 1.023 MHz dan 10.23 MHz.
2.3 Modul pembuatan kode C / A
Kode C / A dihasilkan oleh register geser umpan balik linier terpanjang 10 tahap (maksimum, m) pasangan urutan, yaitu panjang kode C / A adalah 210-1 = 1023 chip. Clock kode C / A adalah 1.023 MHz, dan periodenya 1 ms. Dalam satu waktu chip kode C / A, pembawa L1 mengulangi 1.540 siklus. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, generator kode C / A terdiri dari dua register geser G1 dan G2, dan keluaran dari dua register geser di-XOR untuk mendapatkan keluaran kode C / A. Kedua register disetel ke 1 saat epoch X1 tiba.
Dalam perancangan ini digunakan rangkaian logika kombinasional, sinyal input meliputi kode clock C / A clk, kode pseudo sat_PRN_ID, reset sinyal reset, dan output kode C / A keluar. Nomor pseudo code adalah 21, dan hasil simulasi dengan Modelsim ditunjukkan pada Gambar 4 dan Gambar 5.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4, output kode C / A 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 1 ..., Kode pseudo adalah oktal dari sepuluh digit pertama dari kode C / A 21, dinyatakan sebagai 1746, yang merupakan biner 1111100110, dan kode C / A dikeluarkan dengan benar. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, setelah siklus clock 1023, output kode C / A kembali ke 1111100110 awal, yang sesuai dengan fitur yang panjang kode C / A adalah 1023. Oleh karena itu, generator kode C / A dirancang dengan benar.
2.4 Modul pembuatan kode P.
Selain kode C / A, kode P adalah kode pseudo lain dalam sinyal GPS, yang secara bersamaan dimodulasi pada sinyal pembawa L1 dan L2. Periode kode P adalah 7 hari, laju kode 10,23 MS / s, dan lebar kode Tp kira-kira sama dengan 0,1 s. Kode P terenkripsi menjadi kode Y, yang hanya dapat diuraikan oleh pengguna tertentu.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, kode P Pi yang dihasilkan pada satelit dengan kode gangguan acak semu (Kebisingan Acak Pseudo, PRN) i adalah jumlah modulo 2 dari urutan X1 dan urutan X2i. Sirkuit pembangkitan urutan X1 terdiri dari dua register geser umpan balik dua belas tahap.Setiap register geser umpan balik dua belas tahap dapat menghasilkan register geser umpan balik linier terpanjang (maksimum, m) dengan periode 4.095 chip. ) Urutan, dan kedua urutan m ini dipotong untuk membentuk urutan X1A dengan periode 4.092 chip dan urutan X1B dengan periode 4.093 chip. Kode yang terpotong X1A dan X1B di XOR bersama-sama untuk menghasilkan kode yang panjang dengan periode 4092 × 4093. Kode panjang dipotong dan menjadi urutan X1 dengan jangka waktu 1,5 detik dan panjang 15345.000 chip.
Mirip dengan proses menghasilkan urutan X1, dua register geser umpan balik dua belas tahap lainnya akhirnya menghasilkan urutan X1 dengan panjang chip 15345037, dan urutan X2i adalah kode ekuivalen terjemahan dari X2. Untuk PRN i, urutan ekivalen terjemahan X2i diperoleh oleh X2, yang ditunda oleh chip i, di mana i adalah bilangan bulat dari 1 hingga 37.
Setelah barisan X1 dan X2i dijumlahkan, didapatkan kode P dengan jangka waktu sekitar 38 minggu, Setelah dipotong diperoleh kode P Pi dengan jangka waktu satu minggu. GPS menggunakan 37 kode setara terjemahan yang berbeda X2i, dan kemudian memperoleh 37 kode P Pi dengan struktur yang berbeda dan jangka waktu satu minggu. Setiap satelit di konstelasi GPS menghasilkan kode P yang berbeda untuk mencapai akses ganda divisi kode.
Modul pembuatan kode P mencakup empat register geser umpan balik dua belas tahap X1A, X1B, X2A, X2B, sinyal penghitung jeda melanjutkan resume1a, resume1b, resume2a, resume2b, dan penghitung count1a, count1b, count2a, dan count2b menentukan nilainya. Hitungan flag1a, flag1b, flag2a, dan flag2b masing-masing menentukan apakah 4 register disetel ulang. svndaysrst adalah sinyal reset satu minggu. Ketika hitungan zcount mencapai 403200, svndaysrst disetel ke 1, dan semua penghitung disetel ulang. Reset svndaysrst sama dengan nilai awal reset pertama. Keluaran kode P diperoleh dari keluaran X1 dan keluaran pergeseran X2 XOR, ditambah sinyal pengaktifan tunda, yang ditentukan oleh flag2a dan count2a.
Simulasi kode P terutama digunakan untuk memverifikasi status awal kode P dan apakah fungsi seperti reset register, reset hitung, dan pergeseran fasa terwujud.Nomor kode semu adalah 5, dan hasil penggunaan Modelsim untuk mensimulasikan generator kode P ditunjukkan pada Gambar 7.
Menurut gambar simulasi 7, nilai awal dimuat ketika sinyal reset pertama adalah 1, dan tepi naik pertama dari jam muncul setelah sinyal reset menjadi 0, dan X1A mengeluarkan output 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1. , 0, 0, 0, X1B mengeluarkan 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0, X2A mengeluarkan 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0 , 0, 1, 0, 1, X2B keluaran 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 0; kode P keluaran 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1,1,1,1,1,1 ..., 12 digit pertama yang diubah menjadi oktal adalah 4377, jadi keluaran awal kode P benar.
Gambar 8 adalah simulasi hitung reset kode P. Register X1A dan X2A direset setelah kode basis 0492, dan register X1B dan X2B direset setelah kode basis 0493. Setelah reset, X1A, X1B, X2A, X2B mengeluarkan nilai awal, dan Pada saat yang sama, penghitung yang mewakili jumlah siklus bertambah 1. Diagram simulasi sepenuhnya sesuai dengan fitur ini, sehingga penghitungan ulang kode P sudah benar.
Register X1B berhenti setelah 4093 X1B siklus, dan tidak melanjutkan perpindahan sampai X1A telah mengayuh 3750 X1A. Register X2B serupa, tetapi setelah register X1A menyelesaikan 3750 siklus, register X2A masih mempertahankan 37 kali kode dasar.Register X2A juga mempertahankan 37 kali kode dasar setelah 3750 siklus, dan kemudian menyetel ulang sinyal dalam satu minggu. Kembalikan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.
Dapat dilihat dari Gambar 9 bahwa ketika X1B dihentikan sementara, outputnya tetap tidak berubah, flag1aout waktu jeda adalah 3749, dan ketika dilanjutkan, flag1aout adalah 4092, yang dipisahkan oleh 343 kali kode dasar. Ketika X2B dihentikan sementara, keluarannya tetap tidak berubah. Setelah flag1bout melanjutkan penghitungan, penghitungannya dari 1 hingga 37. X2A dan X2B mulai bergeser dan keluar, yang sesuai dengan prinsip kode P. Ketika X1A siklus 3750 siklus, zcountout meningkat sebesar 1, dan reset ketika zcountout adalah 403200. Singkatnya, desain generator kode P sudah benar.
Untuk program pembuatan kode P di atas, ketika nomor PRN ditentukan, kode P keluaran ditentukan oleh nilai-nilai dari 4 register dan penghitung.Jika nilai-nilai ini diketahui dan dimasukkan ke dalam program sebagai nilai awal, kode P setiap saat dapat dikeluarkan.
3 Penerapan modul kontrol
3.1 Modul generasi pembawa
Generator pembawa mengadopsi chip DDS terintegrasi ADI AD9956, yang dapat mengeluarkan nilai frekuensi tertentu melalui kontrol kata kontrol frekuensi (Kata Tuning Frekuensi, FTW) dan kata pembagian frekuensi R.
Hubungan antara frekuensi sinyal keluaran dan kata kendali frekuensi adalah sebagai berikut:
Dalam rumus, f mewakili frekuensi sinyal keluaran; FTW mewakili kata kontrol 48-bit, dengan rentang nilai 0 ~ 247, R mewakili koefisien pembagian frekuensi, yang dapat berupa 1, 2, 4, 8; fREFCLK mewakili jam masukan 390 MHz.
3.2 Modul kendali pembangkitan pembawa
Modul kontrol generasi pembawa mengadopsi C8051F, yang menyediakan 14 antarmuka kontrol ke DDS untuk menyediakan data tuning sinyal kontrol ke DDS. Sesuai dengan persyaratan rangkaian modulasi selanjutnya, diperlukan sinyal 70 MHz untuk memperoleh gelombang pembawa pada pita frekuensi L1, dan sinyal 60 MHz untuk memperoleh gelombang pembawa pada pita frekuensi L2. Oleh karena itu, perlu untuk mengontrol DDS yang menghasilkan pita frekuensi L1 dan pita frekuensi L2 secara berurutan.
3.3 Mendapatkan modul kontrol
Kontrol penguatan pembawa dan sinyal termodulasi terutama diwujudkan oleh sinyal kontrol penguatan yang disediakan oleh FPGA, yang direalisasikan dengan kerja sama dari chip HMC468LP3 dan HMC273MS10G. Keuntungan dapat diubah hanya dengan mengontrol level.
4 Pengujian dan analisis sistem
4.1 Instrumen dan perlengkapan uji
Sumber sinyal mengadopsi Rohde dan Schware SMB100A Signal Generator, rentang frekuensi 9 kHz ~ 6 GHz. Penganalisis spektrum mengadopsi Rohde dan Schware FSC6. Spektrum, rentang frekuensi 9 kHz ~ 6 GHz.
4.2 Analisis spektrum kode C / A
Dalam domain frekuensi, fungsi spektrum daya urutan acak dengan laju kode 1,023 MHz adalah 0 pada kelipatan bilangan bulat 1,023 MHz. Meskipun kode C / A tidak sepenuhnya acak, spektrum kekuatannya mirip dengan urutan acak.
Gambar 10 menunjukkan spektrum frekuensi setelah modulasi, pita frekuensi pembawa L1 adalah 1.575.42 MHz, dan frekuensi titik nol pertama M2 adalah 1.576.43 MHz, yaitu sekitar 1.023 MHz dari frekuensi pusat L2. Dapat dilihat bahwa daya keluaran dari lobus samping pertama dilemahkan sekitar 15 dBm relatif terhadap lobus utama, yang pada dasarnya sejalan dengan sinyal GPS yang sebenarnya.
4.3 Analisis spektrum kode P.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11, frekuensi tengah spektrum setelah modulasi adalah 1575,42 MHz (pada titik M2), dan titik nol pertama M1 setelah itu adalah 1585,65 MHz, dipisahkan oleh 10,23 MHz. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12, frekuensi pusat spektrum setelah modulasi adalah 1227,6 MHz, dan titik nol pertama M1 setelah itu adalah 1237,83 MHz, dipisahkan oleh 10,23 MHz, yang memenuhi persyaratan.
5. Kesimpulan
Sinyal pita dasar GPS dapat dilampirkan ke bentuk pembawa sinusoidal melalui modulasi, dan kemudian satelit memancarkan sinyal pembawa yang dimodulasi. Oleh karena itu, penelitian sinyal baseband GPS memiliki nilai aplikasi penting untuk penelitian dan pengembangan peralatan navigasi dan pemosisian, deteksi dan pembangkitan sinyal interferensi. Sinyal pita dasar GPS yang dihasilkan dalam artikel ini berdasarkan pada FPGA memiliki karakteristik penguatan keluaran yang dapat disesuaikan dan frekuensi keluaran yang dapat dikontrol, dan dapat memberikan beberapa sinyal pita dasar dan sinyal kontrol untuk modul frekuensi radio.
referensi
Wang Weiquan, Liu Changxiao. Generator kode C / A untuk GPS menggunakan FPGA Journal of Guilin University of Electronic Technology, 2006, 26 (5): 347-350.
Xie Gang. Prinsip GPS dan desain penerima. Beijing: Rumah Penerbitan Industri Elektronik, 2009.
Lembar data Rochester Electronics.AD9956. 2013.
Qu Tiemao. Penelitian dan pengembangan simulator konstelasi GPS berbasis FPGA. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2007.
Wang Libin, He Hong Penelitian komparatif tentang kinerja kode M GPS, kode C / A dan kode P. Pengukuran dan kontrol penginderaan jauh dan posisi navigasi, 2008, 38 (4): 34-36.
- Seniman Jepang menggambar versi ilustrasi binatang yang diperbesar, binatang berukuran sama dengan bangunan tiga lantai
- Tesla Model 3 mengantarkan lawan yang kuat: batch pertama dari kendaraan listrik murni Chevrolet Bolt versi self-driving dari jalur perakitan
- Taoying Daily Sutradara muda Hu Qian gantung diri dan berkata bahwa "hidup itu menyakitkan dan tidak berarti"
- Mendorong beberapa kopling lidar: langkah kecil untuk Sagitar dan langkah besar untuk demokratisasi mengemudi otonom