现在，GNSS卫星导航定位体系的运用越来越广泛，包括我国、美国、欧盟、俄罗斯等国际首要强国都在活跃安置自己的全球卫星导航定位体系。尽管我国在卫星导航方面起步较晚，可是技术发展迅猛，跟着我国的斗极2号卫星导航体系的逐步完善，使得我国成为继美俄之后第三个具有完好的导航体系的国家。国内商场对导航接纳机的需求也越来越多，规划高功用、多方法、低价位的导航接纳机已成为研讨热门。作为导航接纳机研发进程中必不可少的设备，收集回放体系具有宽广的运用远景。所以，迫切需求规划一种价格低廉、便携性好、界面直观、可操作性强的GNSS导航信号收集回放体系。
综上，该体系的监控端选用了依据CortexA8系列的ARM处理器，该处理器一起统筹了本钱与功用的要求，可规划漂亮的图形化操作界面。该体系作业于BD2-B1和GPS-L1两个频点，便携性好，界面直观，可通过按键或触摸屏两种方法操作，一起可随时收集野外杂乱环境下的导航卫星信号，极大地提高了导航接纳机的开发功率和质量。
1 体系结构
本体系全体分为射频模块与基带模块两大部分。其间，射频模块担任接纳和发送射频信号，并将射频信号转化为基带信号后交由基带模块处理；基带模块完结用户交互、接口对接等功用。此外还包括SSD硬盘（数据存储的介质，寄存收集和回放的数据）以及对外各种接口。体系的结构组成如图1所示。
2 体系硬件规划
2.1 射频模块
射频模块可分为上变频与下变频两大部分，下变频部分的中心器材选用MAX2769B芯片，该芯片是一款多模导航接纳机芯片，适用于GPS/斗极/格洛纳斯/伽利略卫星导航定位体系。上变频部分的增益操控器材选用了HMC472LP4数控衰减芯片，该衰减芯片步进0.5 dB，最高衰减31.5 dB，别离由V1～V6 6个引脚操控，低电平有用。上下变频部分均选用C8051F230单片机进行装备，下变频部分选用GPIO口模仿SPI接口对MAX2769B芯片写装备字，装备相关参数；上变频模块通过操控12个GPIO口电平的凹凸装备增益。一起，射频模块的上下变频部分均选用杭州中科微电子的ATGM332D导航接纳机作为监控接纳机，上下变频模块别离将监控接纳机接纳的报文信息通过串口送入FPGA模块，由FPGA挑选输出至ARM端。图2为射频模块原理图。
2.2 基带模块
基带模块能够分为FPGA模块、ARM模块及基带底板3个部分。基带底板是各模块衔接的桥梁，并完结除ARM、FPGA之外的一切功用，各模块均以接插件方法与底板衔接。这儿立异性地选用了SSD硬盘进行数据存储，满意了设备长期收集数据对大容量空间的需求。因为体系杂乱性高，本文关于基带底板子模块只介绍电源与时钟电路的规划方案。
2.2.1 FPGA模块
FPGA选用了Xilinx 的XC7K325TFFG900-2型FPGA（下文简称K7）。K7系列是Xilinx最新推出的面向中低端商场的低价位、高功用FPGA。K7中心板首要担任对接射频数据接口和高速收发接口，FPGA内部逻辑结构如图3所示，依据功用大致分为3个部分：操控单元、SATA操控器、UART分线单元。FPGA的操控单元首要担任体系的过失操控及与ARM端的通讯。这儿ARM与FPGA是通过SMC总线进行通讯的，需求在Linux内核中编写K7处理器的SMC总线驱动。
2.2.2 ARM模块
ARM模块选用Atmel SAMA5D31处理器，该处理器依据Cortex-A5架构，主频528 MHz，内部集成了浮点运算单元，是一款高功用、低功耗的嵌入式处理器。ARM模块集成了256 MB ROM、256 MB RAM，确保功用的一起降低了开发本钱。关于本体系而言，选用该模块是考虑了功用、功耗、价位等多种归纳要素的成果。ARM作为主控芯片操控整个体系流程，图4所示为ARM与其他部件的衔接联系图。
2.2.3 基带底板（电源与时钟）
本规划选用5 V～42 V宽压电源输入，依据各个器材作业时所需电流的巨细，选用12 V/5 A适配器作为输入电源，全体电源分配如图5所示。
整个体系的时钟源有2个，均为16.368 MHz的有源晶振，别离坐落基带底板(主时钟)、射频板(备用时钟)。正常情况下运用主时钟，在特别运用下运用备用时钟。除16.368 MHz时钟外，ARM具有本身的无源晶振作为自己的时钟源。模块通讯时均选用异步通讯方法，以防止钟差发生的过错。图6所示为体系的时钟规划方案。
3 体系软件规划
3.1 FPGA程序规划
本体系在收集数据时，FPGA接纳来自下变频模块的8位AD数字信号(L1+B1)，通过处理后通过SATA接口存入到SSD硬盘中，完结数据的收集与存储；回放时，FPGA从SSD硬盘中读取数据，通过DA数模转化后，送入上变频模块完结信号的播发。在卫星信号收集回放时，FPGA要接纳来自上下变频模块监控接纳机的UART信息，确认收集和播发的信号是否正常。
本规划选用VHDL语言对需求完结的电路进行描绘，Xilinx的K7系列FPGA内部集成的高速收发器(GTX)数目高达16个，单个GTX的速率能到达12.5 Gb/s，GTX是完结SATA协议的中心器材，用于完结SATA2.0操控器捉襟见肘。本文选用K7完结了SATA协议的物理层、链路层和传输层，首要包括完结链路初始化、帧的封装、帧的发送/暂停/完毕操控、帧的解析与校验。SATA协议的传输层由万兆位级收发器GTX、OBB操控模块和接口传输率挑选模块一起完结。GTX的首要功用包括16B/20B编码/解码、串并/并串转化、逗点检测、时钟批改、猜测重和线性均衡等。OBB操控模块用于硬盘的上电进程或许硬件的复位进程，一起与SATA操控器树立通讯链路。
3.2 ARM程序规划
ARM模块作为本体系的中心操控模块，担任各个使命的调度，加之需求友爱的用户交互界面，因而选用嵌入式Linux作为ARM模块的操作体系。依据ARM使命能够大致分为：用户交互操作、模块指令装备、数据文件办理、模块状况监控。
首要需求在Linux内核中完结相应接口的驱动程序，除SMC总线驱动外，Atmel官方供给的linux3.6.9版别的内核中现已供给了其他接口的驱动程序，只需在设备树文件中引出相应的设备节点即可。Atmel官方一起供给了SPI、I2C、GPIO接口的测验程序，能够直接移植相应的程序到Qt4中用于完结相应的功用。这儿需求特别强调的是UART接口，在Qt4中没有特定的用于串口通讯的类，本体系参阅第三方的qextserialport类，自定义一个PortSetTIngs类型的结构体，用于存储串口参数。因为Linux体系不支持串口中止方法，所以这儿需求新建一个守时器QTImer，守时1 s，并在程序中完结串口发送与接纳的同步。接下来调用open()函数翻开串口，并调用bytesAvailable()函数判别串口数据是否为零，若串口缓冲中有数据，则调用readAll()函数将缓冲区中一切数据读取到QByteArray类型变量中。
要完结实时接纳机监控，需求解析串口接纳到的报文数据，并提取载噪比信息，制作柱状图用于实时显现信号质量。本体系针对Qt4用户图形界面，提出了一种全新的报文解析方法，首要需求将QByteArray型变量转化为QString型，并调用replace()函数将报文中的星号、回车符悉数替换为逗号，并以逗号为分隔符，调用split()函数对报文进行切割，用查询的方法查找$GPGSV字段，将卫星编号以及载噪比保存到数组中。依据数组中的数据，选用第三方的QCustomPlot类制作载噪比柱状图，首要调用setLabel函数设置横纵坐标称号，并运用QCustomPlot供给的QCPBars来表明柱状图，调用setData()函数对每个柱子进行赋值，然后调用addPlittable()函数将柱状图添加到Widget上，横坐标赋值需求调用setTIckVector()及setTIckVectorLabels()函数，最终调用replot()重绘柱状图，确保柱状图实时更新。
4 试验与验证
因为Qt4在界面规划中的优越性，因而能够随时依照自己的需求改动界面款式。
为了验证ARM端程序是否发生过串口堵塞现象及是否满意实时性要求，对每帧报文的处理时刻进行剖析。将程序移植到嵌入式开发渠道上，运用labsat循环回放一段卫星的中频信号，该中频信号包括GPS与BD2的报文信息，通过3.5 h的接连测验得到一组数据，将该数据用MATLAB剖析后，得到图7所示成果。
从图7中能够清楚地看到，报文解析及绘图时刻多在250 ms左右，偶然突发时刻会到达550 ms的峰值，处理时刻在1 s之内，彻底满意实时性要求。
5 完毕语
本文规划的便携式GNSS导航信号收集回放体系完结了对卫星中频数据的保存与回放，其监控端选用ARM处理渠道，编写了针对K7型FPGA的SMC总线驱动，并规划了相应的图形化操作界面，节省本钱的一起坚持了设备杰出的可操作性，一起选用SSD作为存储介质，保证了设备长期收集的要求。这儿用MATLAB对中频信号的频谱和功率谱剖析后得知，其回放的信号质量满意导航接纳机测验的需求，一起其保存的中频数据为信号捕获与盯梢算法的研讨供给了牢靠的原始数据，为研发高功用、低价位的导航接纳机奠定了根底。
