開源的GNSS研究接收機(jī)--Namuru

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1、開源的GNSS研究接收機(jī)--NamuruPeterJMumford,KevinParkinson,AndrewGDempster新南威爾士州大學(xué)簡(jiǎn)介PeterMumford是澳大利亞新南威爾士大學(xué)測(cè)量及空間信息系統(tǒng)研究學(xué)院的一名研究員。目前，他正在做關(guān)于GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)以及INS/GNSS集成的工作。Peter擁有一個(gè)測(cè)量方向的工程學(xué)位以及一個(gè)數(shù)學(xué)的學(xué)術(shù)學(xué)位，擅長(zhǎng)FPGA、嵌入式軟件以及GNSS領(lǐng)域的電子設(shè)計(jì)。KevinParkinson完成工程學(xué)位學(xué)習(xí)之后就一直從事于電子設(shè)計(jì)工作。目前他正在新南威爾士大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航與定位團(tuán)隊(duì)里攻讀工程碩士學(xué)位。他感興趣的研究

2、方向包括GPS系統(tǒng)、FPGA設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)、低功耗射頻設(shè)計(jì)以及信號(hào)處理。AndrewDempster教授是2004年新南威爾士州大學(xué)測(cè)量與空間信息系統(tǒng)學(xué)院的特約研究指導(dǎo)。他的研究?jī)?nèi)容是GPS接收機(jī)信號(hào)處理、軟件分支以及新的定位技術(shù)。不僅如此，在Auspace有限公司，他是參與澳大利亞第一代GPS接收機(jī)開發(fā)的項(xiàng)目經(jīng)理及系統(tǒng)工程師。摘要Namuru是新南威爾士州大學(xué)開發(fā)的開放式GNSS接收機(jī)研究平臺(tái)的名稱。本文講述了最新的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、結(jié)果以及Namuru項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)所獲得的成果。該平臺(tái)包含三個(gè)方面：定制電路板，基帶處理器（相關(guān)單元）邏輯設(shè)計(jì)以及應(yīng)用固件.電路板以及基帶

3、處理器設(shè)計(jì)都是開放的。定制電路板包含一個(gè)L1GPS射頻前端以及Altera或Cyclone公司的FPGA芯片、三軸加速度傳感器及各種各樣的IO口和存儲(chǔ)單元。電路板已經(jīng)過精心設(shè)計(jì)以保證射頻前端周圍的噪聲盡可能的低。電路板設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)及性能在本文中也有介紹。該固件在FPGA芯片中運(yùn)行的是NiosII軟核處理器。基于GPS框架的幾個(gè)版本的固件都有二進(jìn)制或其他備用的開源GNSS項(xiàng)目固件所適合的格式。這款基帶處理器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔直接以使之盡可能廣地滿足GNSS相關(guān)的研究人員的開發(fā)需要。研究人員可以修改或添加FPGA中的VHDL或Verilog代碼對(duì)原有功能進(jìn)行提高或加強(qiáng)。Na

4、muru平臺(tái)支持各種領(lǐng)域的研究，如研究新信號(hào)、多徑效應(yīng)、微弱信號(hào)、信號(hào)干擾、定時(shí)應(yīng)用、多傳感器信息融合、捕獲策略以及可重復(fù)配置設(shè)計(jì)。Altera公司的設(shè)計(jì)工具Quartus和NiosIIIDE分別用來開發(fā)邏輯單元和固件。Altera是最好的FPGA芯片生產(chǎn)商之一，其開發(fā)工具非常易于開發(fā)，受到大家的廣泛好評(píng)。Namuru平臺(tái)上的L1頻段GPS接收機(jī)參考設(shè)計(jì)擁有可與大多數(shù)基于ASIC標(biāo)準(zhǔn)、用于一般市場(chǎng)上的接收機(jī)相比擬的性能。測(cè)試表明，在一定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，GPS仿真器產(chǎn)生的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)差不多。測(cè)試的結(jié)果以及改進(jìn)方法都已給出。介紹Namuru接收機(jī)項(xiàng)目自2004年開

5、始至今，目前已開發(fā)出包括一塊高性能開發(fā)板、VHDL和Verilog基帶設(shè)計(jì)以及使用Altera公司NiosII軟核處理器的MitelGPS結(jié)構(gòu)的固件。測(cè)試結(jié)果表明它擁有SignavMG5001接收機(jī)類似的性能[1]。更加詳細(xì)的內(nèi)容參見參考文獻(xiàn)2、3。從數(shù)據(jù)以及動(dòng)態(tài)測(cè)試得出的討論及結(jié)果會(huì)在一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)于敏感性研究的過程中得以介紹。另外，我們對(duì)接收機(jī)中使用到的跟蹤環(huán)路的輪廓進(jìn)行了描述，還對(duì)將來的研究方向進(jìn)行了展望。NAMURU電路板電路板如圖1所示。靠近中間位置的是Altera公司的CycloneIIFPGA，它有35,000個(gè)邏輯單元。在右邊屏幕盒下面是射頻前端

6、。一塊Zarlink2015芯片與各種濾波器電路、低噪聲濾波器和一個(gè)溫度補(bǔ)償晶振一起使用。圖2顯示了射頻前端的放大細(xì)節(jié)。FPGA芯片的左邊是一個(gè)三軸加速度計(jì)，上面是存儲(chǔ)芯片(SRAM和Flash)。左邊有電源、實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及非易失性存儲(chǔ)電路。在電路板底層，從左到右依次是兩個(gè)串行端口、一個(gè)網(wǎng)口、JTag口、兩個(gè)SMA時(shí)鐘輸入端及一個(gè)天線SMA輸入端。頂層右邊有兩排通用IO口插槽。圖1.Namuru電路板V1圖2.射頻前端細(xì)節(jié)射頻前端的低噪聲性能是電路板設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。這是由邏輯電路泄漏到前端所產(chǎn)生噪聲的可能性決定的，它對(duì)微弱GPS型號(hào)的捕獲要求很高。關(guān)于設(shè)計(jì)的

7、討論在文獻(xiàn)5中。前端的低噪聲運(yùn)行性能可在文獻(xiàn)6中得到證實(shí)，在那里，沒有Zarlink2015芯片的IF輸出中發(fā)現(xiàn)的特定的噪聲。基帶處理器基帶處理器的參考設(shè)計(jì)已經(jīng)有剛開始的VHDL以及后來的Verilog語言開發(fā)出來。該設(shè)計(jì)非常的通用以保證盡可能廣地使用范圍及方便的修改途徑。圖3提供了跟蹤模塊(基帶處理器)的綜述；在這個(gè)實(shí)例中有12個(gè)通道。圖4展現(xiàn)了跟蹤通道的詳細(xì)信息，它擁有三個(gè)復(fù)合碼發(fā)生器，每個(gè)發(fā)生器都被半個(gè)C/A芯片隔離開來。圖3.跟蹤模型概覽圖4.跟蹤通道細(xì)節(jié)跟蹤模塊通過Altera公司的Avalon總線連接到Altera公司的NiosII軟核CPU并作為

8、外圍存儲(chǔ)器映射出現(xiàn)在地址空間中。模塊的