一篇类似的文章出现在2006年12月的《微波》杂志上。射频杂志。

用于全球定位系统(GPS)(1,2)的软件技术最近引起了通信和导航工程师日益增长的兴趣。由于VLSI的发展，强大的cpu和dsp现在能够使用软件实时检测和解码GPS信号。由此产生的基于软件的GPS接收机在修改设置以适应新应用方面提供了相当大的灵活性，而无需重新设计硬件，使用相同的板设计用于不同的频率计划，并实现未来的升级。本文主要介绍了cdma通信方面的基本理论，用于软件GPS接收机。关于导航信息的解码和位置计算，有兴趣的读者可以参考徐宝彦的书《全球定位系统接收机基础:软件方法》。

一个GPS系统由24颗空间卫星或空间飞行器(每一颗都由一个唯一的PRN代码识别)、一个地面控制站和用户设备(接收器)组成。对于民用GPS应用，卫星在位于1.57542GHz的L1频段上通信。

GPS接收器需要至少四颗卫星的视线范围内“可见”才能建立可靠的位置。信号的获取和跟踪是非常复杂的，因为每个信号都随时间和接收器的位置而变化。基于软件的GPS接收机的射频前端(图1)首先使用低噪声放大器(LNA)放大微弱的输入信号，然后将信号下变频到大约4MHz的中频(IF)。这种下变频是通过使用一个或两个混频器将输入射频信号与本地振荡器信号混合来完成的。由此产生的中频信号通过数字转换器(ADC)转换为数字中频信号。

Maxim在MAX2741中集成了这些硬件(LNA、混频器和ADC)，从而大大缩短了应用程序的开发时间。它的两级接收器将入射的1575.42MHz GPS信号放大，将其下变频为37.38MHz的第一个中频，进一步放大，然后下变频为3.78MHz的第二个中频。内部2位或3位ADC(可选择1位符号，幅度为1位或2位)对第二个中频进行采样，并将数字化信号输出到基带处理器。集成频率合成器实现灵活的频率规划，允许同一板实现2MHz和26MHz之间的许多流行参考频率，只需更改设置。集成的参考振荡器可以与晶体或温度补偿晶体振荡器(TCXO)一起操作。

传统的GPS接收器在ASIC中实现采集、跟踪和位同步操作，但是软件GPS接收器通过在软件而不是硬件中实现这些块提供了灵活性。通过简化硬件架构，软件使接收器更小，更便宜，更节能。您可以用C/ c++， MATLAB 和其他语言编写软件，并将其移植到所有操作系统(嵌入式操作系统，PC, Linux和DSP平台)。因此，软件GPS接收器为移动电话、pda和类似应用提供了最大的灵活性。

GPS信号

我们只考虑位于1.57542GHz的著名L1频段上的民用GPS信号。GPS系统实际上是一个简单的扩频通信系统。(4)民用信号产生模块如图2所示。首先，50bps的导航信息重复20次以产生1000bps的比特流。然后，重复的信号通过长度为1023个芯片的唯一C/ a代码传播(芯片是应用伪随机噪声代码的速率)。其结果是每秒1.023兆比特(Mbps)的基带信号。因此，GPS系统的43dB处理增益(G)允许它解析远低于热噪声水平的信号。

每个卫星都被分配一个唯一的C/ a码，也称为金码。(5)由于金码具有优异的自相关和互相关特性，因此被广泛应用于CDMA通信系统，如WCDMA、cdma2000 等。基带信号用二相移键控(BPSK)调制，并上变频到L1波段进行传输。

收购

由于GPS是CDMA通信系统，接收机必须同步伪随机噪声(PRN)码作为解调数据的先决条件。代码同步通常分为两个步骤:粗代码对齐的代码获取和精细对齐的代码相位跟踪。

更明确地说，GPS接收器必须首先确定它是否对某些卫星具有视线可见性。我们知道，每颗卫星都有一个唯一的C/ a代码。当卫星可见时，采集确定信号的频率和码相位，进而建立相应的解调参数。接收到的信号频率由于多普勒效应(7)而变化，这导致频率偏离其标称值5kHz至10kHz，这取决于卫星相对于接收器的速度。

信号采集的目的是粗略地确定载波频率和C/A码相位，C/A码相位表示数据块中C/A码的开始。常见的采集方法包括串行搜索和频域并行码相采集，前者逻辑结构简单，适合硬件实现;后者计算复杂度低，适合软件实现。

串行搜索模式的框图(图3)显示，接收到的信号首先被下变频为同相分量和正交分量(I和Q)。一对I-Q相关器然后将I和Q基带信号与本地生成的PRN序列相关联。在一个比特的持续时间内积分后，对I-Q相关器输出求和以提供一个输出决策变量。

每当决策变量超过某一阈值时，系统就假定相应的采集成功，并进入跟踪模式。否则，调整局部生成的PRN序列的相对相位和振荡器频率来更新决策变量，重复上述过程。串行搜索方法的简单逻辑结构使其在ASIC上实现是可行的，但由于搜索空间太大，对于软件实现来说是不现实的。假设系统容忍500Hz载波频率偏移，多普勒频率为10kHz，则软件实现的搜索空间大约为2 × (10000/500) × 1023 = 40,920。显然，在软件领域进行串行搜索收购是很困难的。

另一种采集方法，称为频域并行码相采集，在软件实现中表现出较低的复杂性(图4)。其基本原理是将多普勒频率和码相搜索结合为一体，在对PRN码进行FFT变换后，将所有码相信息反映到频域。然后，我们只需要在多普勒频偏上搜索空间，从而实现快速有效的软件搜索。

首先，将输入信号分别与本地产生的正弦和余弦载波(I和Q信号分量)相乘。然后将I和Q分量组合为FFT块的复杂输入。这个傅里叶变换的结果乘以一个PRN码的FFT变换的共轭(PRN发生器产生一个零码相位的码)。在实际应用中，FFT运算和PRN码的生成可以用表格化的方式来降低计算复杂度。

最后，输入信号和本地代码的乘积(表示输入频率和载波频率之间的校正)应用于傅里叶反变换，其平方输出反馈给决策逻辑。基于fft的频域已被证明是一个低的计算消耗。对于前面提到的例子，获取的复杂性大约是20000/500 = 40 FFT操作。图5演示了可见光(a)和不可见光(b)卫星情况下基于fft的并行码采集。

因此，串行搜索方法具有方便的ASIC实现所需的简单逻辑和控制体系结构。然而，巨大的搜索空间增加了软件算法的复杂性。因此，串行搜索方法对于软件GPS接收机来说不是一个好的选择。相比之下，并行代码获取方法的低复杂度使其成为软件实现的理想选择。然而，它的逻辑结构比串行搜索方法复杂得多，难以在ASIC中实现。

跟踪

采集建立了GPS信号的频率和码相位参数的粗对准。因此，跟踪的目的是改进这种对齐，以便系统可以用精确的码相位和频率信息解调数据。跟踪包括码相跟踪和载波频率跟踪。代码跟踪是通过延迟锁定循环(DLL)完成的，如图6所示。

DLL电路将输入信号乘以PRN代码的三个本地副本(在±0.5芯片上及时定位)，它们代表相对于输入信号的早到达、快到达和晚到达。在集成之后，这些信号中的每一个都表示输入信号和本地副本之间的相关性。然后选择相关值最高的一个并保留(图7)。载波频率跟踪通过锁相环(PLL)或Costas环进行。(8)载波跟踪的目的是将本地产生的频率调谐到输入信号的精确频率。

解调和位同步

在采集和跟踪建立初始同步后，就可以对导航位进行解码。数据解调首先将1.023Mbps的输入信号压缩为1000bps的比特流。然后调用位同步从1000bps流中恢复50bps信息。

对于位同步，我们首先需要及时识别位的开始。这是通过找到零交叉边(在0V)来完成的，它表示位的开始。当该边缘已知时，我们可以以20ms的间隔划分1000bps输入流，知道导航数据报文(50比特)的持续时间为20ms(图8)。最后，对20ms间隔内的比特样本进行求和和平均，以解码导航数据。

结论

本文简要介绍了有关软件GPS接收机的一些问题，包括GPS信号结构、采集、跟踪和位同步。软件GPS技术为许多潜在的应用提供了高度的灵活性和简单性。为了支持这些可能性，MAX2741紧凑，廉价的射频前端为软件GPS接收器和传统硬件实现提供了灵活的频率规划。当然，每种解决方案都有其优点和缺点——软件GPS接收器需要高性能处理器和适度的内存。

参考电路

(1)卡普兰。《理解GPS:原理与应用》第2版，Artech House出版社，1996年。

(2)徐宝彦。全球定位系统接收机的基本原理:一种软件方法。第2版。约翰·威利&;Sons Inc.， 2004。

(3)同前。

(4) A.维特比。扩频通信原理。艾迪生韦斯利朗曼出版有限公司，1995年。

(5)王志强，扩频多路复用的协同最优二值序列，信息学报。13卷。1967年10月。619 - 621页。

(6) R. E. Ziemer, R. L. Peterson。数字通信和扩频系统。纽约:麦克米伦出版公司，1985。

(7) J. G. Proakis。数字通信。第4版。Mc-Graw Hill学院，2000。

(8)如上。