高灵敏度导航信号快速捕获算法IP核的研究与实现

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随着卫星导航服务的扩展和人们在定位服务方面需求的提升,如何在弱信号场景下实现导航卫星信号捕获,近年来成为越发重要的课题。本设计对导航卫星信号弱信号快速捕获算法的硬件实现进行研究,并基于FPGA平台实现了一个实用的GPS弱信号快速捕获 IP核,对于导航卫星信号捕获技术的研究具有一定意义。  首先,本文介绍了GPS卫星信号的组成及其特点,并对C/A码的结构、产生以及特性进行介绍。通过研究GPS信号时域捕获和频域捕获各自的特点,指出时域捕获不适合本课题研究内容的实现。针对弱信号捕获的问题,本文介绍了相干累积、非相干累积和差分相干累积三种基本的累积方法,说明了由于导航数据位反转和平方损失的存在,接收机需要将以上三种方法按照一定策略联合使用。经过分析认为半比特法最适合进行硬件实现。  其次,本文从设计实现的IP核结构和平台等方面对 IP核硬件实现进行了介绍,详细分析了信号处理过程中的算法详细分析,文中对整个IP核分块进行了详细介绍,并从硬件资源和系统可靠性等角度对各模块的不同的硬件实现手段进行了比对。通过硬件测试证实,本设计所实现的IP核的灵敏度可以达到-146dBm,系统的冷启动单星搜索时间为50.4ms。  最后,在本课题的研究中还针对不同的需求研制了相应的改进型IP核。为满足对灵敏度要求较高的应用场合,本课题应用了一种新的累积策略,即全比特差分累积法。基于该算法实现的灵敏度增强型IP核占用了更多的资源,但经过硬件实验证明,其可以捕获-148dBm的GPS信号。同时,本设计中还提出了一种速度增强型IP核,以满足对捕获速度有特殊需求的应用场合。速度增强型IP核通过采用前累积策略和组合式的频域搜索模式,极大地提高了捕获IP核在频域上的搜索速度。但由于其结构较为复杂,其弱信号捕获能力受到了一定的限制。
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