跟着软件无线电在卫星导航接纳机上的广泛应用，卫星导航接纳机的硬件部分简化为射频前端和高速数据收集模块两部分。跟着GPS现代化和伽利略、斗极信号的展开，未来接纳机有必要能够接纳多个频点的导航信号，为了防止多频下变频存在的多路频率混频的难题，能够在射频上直接进行数字采样和数据传输。
2009年，瑞士的洛桑联邦理工大学规划出了多频射频直接采样的前端，并对各级信号增益和三阶截止点进行了具体的评价。一起对多频信号的采样率要求进行了剖析[1]。2009年，北京航空航天大学规划出了能够一起在射频上直接纳集GPS L1、L2双信号的接纳机，采样率为100 MHz[2]。
国内外现在关于多频射频直接采样的高速数据收集部分研讨很少，北京航空航天大学之前的计划仅仅做到双频的集成，采样率较低。而洛桑联邦理工大学的射频前端计划老练可是关于数据收集和定位剖析的作业没有论说。能够一起接纳GPS 3个频带信号、伽利略信号以及斗极信号的接纳机需求的采样率更高更难以完结。因而多频直接采样接纳机的硬件规划作业在国内外均展开较少，其间高速数据收集以及多频射频前端规划是其间的两个关键问题。
1 硬件体系规划
卫星导航体系软件接纳机的思维是让宽带A/D转化器尽或许接近射频天线，尽早地将模拟信号转为数字信号[3]，最大程度地用软件来完结接纳机的各种功用。
本文中数据收集体系的作业原理是，运用宽频天线接纳信号后，在射频前端进行扩大、滤波和增益操控作业。其间多频技能需求运用分路滤波技能。前端输出的信号被送到高速ADC进行采样，这今后经过FPGA进行缓冲和处理(如FIR数字滤波器处理等)。然后PFGA将数据封装成帧结构经过以太网口将其传送到主机上。主机在物理层捕获以太网数据包，剖析MAC地址后将需求的数据存储到硬盘之中。
1.1 射频前端规划
直接采样的射频前端与传统的选用下变频技能的接纳机前端有所不同。如图1所示，直接采样的射频前端运用高增益GNSS天线接纳信号。而信号经过LNA作榜首级扩大后，经过1.1 GHz~1.7 GHz带通滤波，再运用PA进一步扩大。尔后射频信号分为3路,别离进行滤波、扩大、再滤波后兼并，之后运用AGC环路调理输出信号功率。
下变频前端的混频器频率由晶振供给，经过混频对射频信号进行多级下变频，并进行扩大和滤波,终究输出中频信号供ADC收集。
在射频上直接进行采样不需求本地晶振，可是一切扩大器和滤波器均需求在射频下作业。多频前端需求对不同的频带进行分路滤波扩大，一起将带外噪声尽或许地滤除去。本体系运用了试验室自行规划的射频前端，能够在ADC之前得到频谱形状如图2所示的信号。它包含了GPS的L1、L2、L5信号和伽利略E1、E5a、E5b以及部分斗极卫星的信号。表1列出了上述导航体系的信号频率及带宽。
前端将信号扩大至ADC能够采样的电平,关于ADC08D500， 1 bit量化的信号最小输入能量是-47.92 dBm[5]。GNSS天线的增益为50 dB,两级LNA增益共约35 dB, PA增益20 dB,前端总插入损耗约为20 dB, AGC环路增益动态规模为-35 dB~+22 dB，运用前端的增益满意对信号进行4 bit采样。
关于GNSS信号，超越2 bit采样对信噪比的改进作用不是很明显，而太高量化位数会增加数据处理的困难。本规划挑选存储了1 bit和2 bit的采样数据，可是在ADC采样时依然进行了8 bit采样，以便于FPGA进行FIR滤波。经过FIR滤波今后的数据能够进行截位处理，即截取1 bit或许2 bit进行保存。
前端规划的首要难点在于以下三个方面：射频宽频带扩大器简单饱满；分路扩大再合路会给信号带来很大损耗；射频AGC电路需求进行特别屏蔽处理。
1.2 采样率的挑选
卫星导航体系运用扩频通信技能，ADC收集的是噪声信号，信号频带上的混叠相当于将其他频带信号作为噪声混叠到方针频带中。因而能够忍受必定程度信号频谱的混叠。关于GPS的3个频带，依据带通采样原理能够核算需求的采样频率。核算时不只要求信号采样后频谱本身不混叠,一起不同频带的频谱两两之间也不混叠。
关于GPS的L1、L2、L5信号(实践也包含了伽利略的E1、E5a),采样后频谱不混叠可选用的最低采样频率是158 MHz。若考虑伽利略的E5b，直采体系的最低采样率为227 MHz [1]。为了满意不同采样频率的要求，本规划采样频率组成器生成多种采样时钟,运用FPGA的SPI对频率组成器进行装备，本文1.3节中将会介绍多种采样时钟的生成办法。
1.3 ADC模块的规划
ADC08D500是美国国家半导体公司出产的高速模数转化芯片，其取样率可高达500 MS/s，运用差分输入,有用位数为8 bit,能够进行双通道采样, 而功耗仅有1.4 W[5]。
ADC08D500除了单通道能完结最高采样达500 MS/s的速率外，还能够进行双边缘采样(DES)，只对某一路通道的信号在时钟信号的一个周期的上下两个边缘进行采样，运用芯片内置的两个转化器进行交织操作，终究到达1 GS/s的采样率。
ADC采样的时钟来自于频率组成器输出的时钟。为了满意ADC采样关于采样时钟的相位噪声的要求，本规划运用了10 MHz的原子钟作为频率组成器输入，经过FPGA的SPI将频率组成器输出装备成需求的频率，如230 MHz。此外本文还运用了TCXO作输入，对频率组成器输出信号的相位噪声状况进行衡量。经过相位噪声和时钟颤动的状况核算出频率组成器输出时钟总的颤动为1.24 ps，这个颤动状况能够满意ADC08D500对GNSS信号的收集需求。
ADC08D500的输出有两个通道四组8 bit差分总线，别离是I[7:0]、Id[7:0]、Q[7:0]、Qd[7:0]，别的还有两组输出的差分时钟做FPGA的数据收集时钟。
1.4 高速数据传输规划
将卫星导航信号进行数字化时，一般将量化位数选取为1 bit或许是2 bit。当采样率为230 MHz时，2 bit采样数据传输需求约60 MB/s的接口传输速度和硬盘写入速度。千兆位以太网的理论速度达1 000 Mb/s，能够满意数据传输的需求，而且ISE东西自带了Ethernet MAC IP核。因而，本文中选用以太网进行数据的传输。
运用以太网传输数据，能够在FPGA完结TCP/IP协议功用，也能够直接经过以太网的物理层进行数据传输。Virtex5 FPGA内部具有嵌入式软核处理器MicroBlaze，能够进行FPGA内部的嵌入式开发。开发以太网时一般在嵌入式体系中增加TCP/IP协议栈，常用的TCP/IP协议栈是Lwip或许是Treck协议栈[6]。可是运用TCP/IP协议，协议的每一层都会在数据帧前增加各自的帧头，再加上协议的一些检错重发等功用，真实待传输的数据的吞吐率是很低的，千兆以太网的速度一般只要200 Mb/s~300 Mb/s,不能满意本体系关于数据传输率的要求。
在物理层直接传输数据，数据传输速率简直能够到达以太网的理论传输极限(实测能超越900 Mb，依据数据帧封装不同有所差异）。尽管没有TCP/IP协议中对丢包错包等数据完好性问题的批改功用，但能够经过上层的校验和序号发现数据帧过错和乱序。下文将评论在主机端怎么在网卡上直接捕获并存储高速数据。
整个数据收集体系的结构如图3所示,除了ADC电路的规划，首要作业在FPGA下完结。
1.4.1 FPGA数据预处理
本文运用Xilinx公司的Virtex5系列FPGA开发板ML506进行数字信号处理，开发环境依据ISE Design suite 11进行。
从ADC传送出的数字信号为8对或许16对差分数据以及1路差分时钟。关于采样数据的截位处理能够分为直接截位和滤波后截位两种处理方式。直接截位是只挑选其间的高位数据进行传输，滤波后截位是接纳悉数的8 bit数据，将数据送给数字滤波器处理后再进行截位，本文选用先滤波后截位的办法，能够挑选保存1 bit或许2 bit数据。
ADC08D500器材以230 MHz的高采样率进行8 bit量化时，输出数据率将非常大。独自对其间任一导航信号频带来说，高达230 MHz的采样率都是不必要的。对此，在FPGA中增参加FIR（有限冲激呼应数字滤波器），别离滤出采样后导航信号各频带，在运用截位输出来下降量化位数的一起，运用抽取来下降采样率。以GPS体系为例，当采样率为230 MHz时，L1、L2和L5的中频别离为195.42 MHz、77.6 MHz和26.45 MHz。因而，在FPGA中生成3个FIR（带通FIR）就能够滤除带外信号，消除信号相互之间的搅扰。具体完结办法是在MATLAB经过“ftdtools”滤波器规划东西，核算滤波器参数以生成COE方式的滤波器文件。
将规划出的3个滤波器文件(.COE文件)导入FPGA的FIR IPcore中,就能够生成相应的滤波器Verilog代码，即可取得对应的频率起伏呼应图，其作用如图4所示。
FIR输出数据能够依据数据传输才能和需求进行截位，一般只截取最高的符号位或许选取其间2位。数据分三路进行FIR滤波之后，即可对每一路数据进行降采样处理。直接进行抽取就能够下降数据量和采样率，这将下降后续数据处理复杂度。
在对三路滤波后信号进行传输过程中，经过以太网封装帧给不同频点信号赋予不同的MAC地址。主机捕获时能够经过辨认MAC地址的办法，将三路数据进行分类存储。
1.4.2 以太网数据传输
V5系列FPGA开发板上有以太网物理芯片88E1111完结开发板与电脑网卡的以太网物理层衔接，ISE 11套装中的core generator能够生成Ethernet MAC IP核，直接例化它就能够进行以太网数据传输的开发[7]。其结构如图5所示。
直接接纳ADC的输出数据或许是FIR截位之后的数据作为图6模块中的用户输入数据。因为设置的MAC核依照字节来传输数据，所以在MAC核前面需求增加一个FIFO进行缓冲和串并转化，进入FIFO的数据是1 bit或2 bit，依照整字节输出数据。
直接发送的数据帧是以太网物理层的数据帧，高层协议（TCP/IP协议）并没有运用到。
以太网数据帧的包头首要是8 B的前导码(7 B原语和1 B帧开始）[7]，然后是6 B的意图MAC地址和6 B的源MAC地址，之后是2 bit的协议类型或数据包长度，中心是46~1 500 B的数据内容，以及4 bit的校验位，如图6所示。依据EMAC核完结以太网络协议数据报文的发送具体包含以下几个过程：数据输出缓冲、MAC地址增加、数据FCS校验和原语增加。终究经过MAC封装今后，整个数据报文的长度为64~1 518 B。校验位和前导码是能够挑选主动增加的，所以在输入数据时，经过编写状态机代码增加正确的MAC地址，设置固定字节的数据包巨细就能够让数据正确地传输了。规划时设置每个数据帧除了帧头信息以外有1 024 B的数据，正好是1 KB，即可方便地调查数据包是否犯错和衡量全体数据传输完好性。
千兆位以太网运用的时钟是ML506板载的晶振分频出的125 MHz时钟，经过FPGA内部的PLL组成。
1.4.3 上位机数据捕获
因为FPGA发送数据时仅运用了以太网的物理层，所以在主机抓包的时分仅需求重视数据包的MAC地址信息即可，不需求再对TCP/IP协议进行剖析和处理。
因而本文选用winpcap(windows packet capture)敞开代码来完结MAC数据报文的收集功用。winpcap能够为win32应用程序供给拜访网络底层的才能，因而独立于TCP/IP协议的以太网数据包能够被上层应用程序捕获和保存。
因为一般的SATA硬盘的写入速度在40 MB/s~80 MB/s，为了确保数据能够完好写入硬盘，应尽或许运用高速硬盘。一起，在编写捕捉和存储数据的软件时，应该建立必定的缓冲区域。将网络收集到的数据首要写入内存之中，待累积了一段数据之后将其一次性写入硬盘，以削减CPU时刻分配对写入数据完好性的影响。
2 试验成果
经过SPI装备的不同采样率对实践卫星信号进行收集，存储下来的数据文件选用试验室自研的捕获算法能够成功地捕获出GPS L1、L2、L5信号。图7是在收集的一段数据中L2、L5信号的捕获成果。经过与下变频前端收集的数据进行比照剖析能够发现，两个体系捕获到的卫星数量、编号、多普勒频偏是共同的，但直接采样数据的信噪比要略高。该试验成果如表2所示。这说明该体系收集的数据是正确有用的。
本文介绍了运用射频直接采样技能的多频GNSS数据收集体系的规划完结办法。本文首要供给了首要的硬件渠道结构规划计划，并关于射频前端的电路规划和高速数据收集这两个关键技能进行了具体论述。在此基础上，本体系完结了多频多体系卫星导航信号的收集功用，而且与下变频办法收集的数据进行了比照。试验标明，该体系在功能和可扩展性方面都要优于传统的下变频收集体系，具有很好的通用性。跟着技能的展开，更多更高功能的射频扩大滤波器材的价格不再贵重，运用直接采样技能的多频卫星导航接纳机将具有很大的展开空间。
