專利名稱：地面gps信號(hào)發(fā)射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地面GPS信號(hào)發(fā)射器。
背景技術(shù)：
全球定位系統(tǒng)GPS作為當(dāng)今最先進(jìn)的測(cè)量手段之一，其精密定位理論和技術(shù)已在大地測(cè)量、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、精密工程測(cè)量以及導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際工程運(yùn)用中GPS定位的精度、可用性以及可靠性主要取決于跟蹤到的可見(jiàn)星數(shù)目及其分布的幾何圖形這兩個(gè)重要因素。但對(duì)于城市高樓密集區(qū)和位于深山峽谷的水庫(kù)、電站、礦山等環(huán)境下，由于受到地形及周圍環(huán)境的影響，使接收到的GPS衛(wèi)星數(shù)目通常不能滿足定位的最低要求，而且分布不均勻，導(dǎo)致GPS定位精度大大降低，限制了其在以上領(lǐng)域的應(yīng)用。由于GPS衛(wèi)星軌道距地面2萬(wàn)多公里，用戶接收機(jī)通常只能接收具有一定高度角的GPS衛(wèi)星星號(hào)，受該條件的限制，其在垂直方向上的定位精度較差，通常是水平定位誤差的2-3倍，不能滿足大壩、橋梁和高層建筑物安全監(jiān)測(cè)等精密定位領(lǐng)域要求。目前在室內(nèi)、地下、隧道還無(wú)法直接使用GPS信號(hào)來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航定位。除此之外，以目前GPS衛(wèi)星的配置方案，一旦有一顆衛(wèi)星發(fā)生故障，或者由于某種原因接收不到GPS信號(hào)，幾何配置不當(dāng)?shù)娜毕輰?huì)更加突出?？梢钥吹絾我坏腉PS定位系統(tǒng)存在以上缺陷，如此我們就考慮可不可以在不改變目前發(fā)展成熟的GPS定位理論技術(shù)和方法，和商業(yè)成熟化的接收設(shè)備前提下，將天空中運(yùn)行的GPS衛(wèi)星安置在地面，利用地面衛(wèi)星發(fā)射裝置來(lái)完成天上運(yùn)行的衛(wèi)星所完成的工作。提出“地面?zhèn)涡l(wèi)星GPS信號(hào)發(fā)射裝置”，它發(fā)射類似于GPS信號(hào)來(lái)增強(qiáng)GPS導(dǎo)航定位，采用的導(dǎo)航電文格式與GPS基本一致來(lái)增強(qiáng)GPS系統(tǒng)，由于偽衛(wèi)星發(fā)射的是類似于GPS的信號(hào)，并工作在GPS的頻率上，所以用戶的GPS接收機(jī)可以同時(shí)接收GPS信號(hào)和地面發(fā)射的偽衛(wèi)星信號(hào)，而不必增設(shè)另一套偽衛(wèi)星接收設(shè)備。從而在方便用戶使用和處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上較好彌補(bǔ)GPS定位現(xiàn)存以上提及的缺陷。一種有效的解決方案，就是把天上的衛(wèi)星GPS發(fā)射裝置安置在地面。但是存在以下難以解決的問(wèn)題一是，單就GPS衛(wèi)星本身來(lái)講，為了保證整體系統(tǒng)時(shí)間同步以及提供高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，GPS采用高精度的原子鐘，這個(gè)也是GPS的核心設(shè)備。但原子鐘價(jià)格昂貴，也造成衛(wèi)星的成本高，體積大，重量大等特點(diǎn)。因此，它不可能作為工程儀器在工程上商業(yè)使用；二是，由于GPS定位技術(shù)從誕生伊始就與美國(guó)的國(guó)防現(xiàn)代化有密切的發(fā)展關(guān)系，因此造成其精測(cè)距碼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且其碼的細(xì)節(jié)信息是不公開的保密碼，該碼的發(fā)生電路相對(duì)也復(fù)雜。這也使得它成本很高，無(wú)法作為常備的工程儀器而被普遍使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種低成本、可便攜的地面GPS信號(hào)發(fā)射器。
本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，采用的技術(shù)思路是考慮到要發(fā)明一種能夠?yàn)槠胀ㄓ脩羲芙邮艿墓こ坦ぞ撸诔杀炯捌浔銛y性上進(jìn)行考慮設(shè)計(jì)，為此采用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器來(lái)作為時(shí)間基準(zhǔn)。但如此一來(lái)也造成偽衛(wèi)星與GPS之間存在時(shí)鐘同步問(wèn)題。對(duì)于靜態(tài)觀測(cè)模式，采用雙差可以有效地消除這一誤差的絕大部分影響；但動(dòng)態(tài)的情形，對(duì)于偽衛(wèi)星的時(shí)鐘漂移量及漂移率不確定，求解時(shí)將會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。在研究偽衛(wèi)星鐘差特性的基礎(chǔ)上，我們提出了一種推求偽衛(wèi)星時(shí)鐘鐘差變化率的方法，并利用所推導(dǎo)的公式應(yīng)用實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算和分析。在不考慮各項(xiàng)外部誤差的情況下，可以對(duì)其做出簡(jiǎn)化。于是各個(gè)歷元的GPS和偽衛(wèi)星的偽距觀測(cè)方程組為GPS:ρ~1=ρ1+(δtRec-δtGPS1)·cρ~2=ρ2+(δtRec-δtGPS2)·c...ρ~k=ρk+(δtRec-δtGPSk)·cPL:ρ~PL=ρPL+(δtRec-δtPL)·c---(1)]]>選取偽衛(wèi)星為參考星，對(duì)式(1)求星間偽距觀測(cè)值單差，可得(ρ~1-ρ1)-(ρ~PL-ρPL)=δtPL·c-δtGPS1·c(ρ~2-ρ2)-(ρ~PL-ρPL)=δtPL·c-δtGPS2·c...(ρ~k-ρk)-(ρ~PL-ρPL)=δtPL·c-δtGPSk·c---(2)]]>利用式(2)，就可以計(jì)算和擬合出偽衛(wèi)星時(shí)鐘在各個(gè)歷元時(shí)刻相對(duì)于正確GPS時(shí)刻的偏差。如此處理便可以保證在使用低成本晶體振蕩器代替高精度原子鐘情況下的獲取同樣的精度。
由于本發(fā)明地面GPS發(fā)射器的使用大多在范圍不大的區(qū)域內(nèi)，實(shí)驗(yàn)顯示在短基線處理時(shí)單雙頻定位精度是相當(dāng)?shù)?，完全可以滿足用戶精密定位的需要。出于結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、裝置的可靠性以及成本的考慮，本地面GPS發(fā)射器設(shè)計(jì)為選用GPS的L1載波1575.42Mhz，用C/A碼來(lái)調(diào)制導(dǎo)航電文。在精度和導(dǎo)航電文不損失的情況下，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高其可靠性，還節(jié)約了成本。
本發(fā)明地面GPS發(fā)射器，包括基準(zhǔn)時(shí)鐘，可編程邏輯器、導(dǎo)航電文(D碼)電路、鎖相環(huán)電路、混頻器、放大器、發(fā)射天線。鎖相環(huán)電路由環(huán)路濾波器、鑒相器和壓控振蕩器構(gòu)成?；鶞?zhǔn)時(shí)鐘采用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，基準(zhǔn)時(shí)鐘分別向鎖相環(huán)電路和可編程邏輯器發(fā)送基頻信號(hào)；鎖相環(huán)電路將依據(jù)基頻信號(hào)而產(chǎn)生的L1載波經(jīng)帶通濾波器去噪后傳送給混頻器；可編程邏輯器(CPLD)在基準(zhǔn)頻率下產(chǎn)生連續(xù)的C/A碼，與導(dǎo)航電文(D碼)電路每20ms送來(lái)的導(dǎo)航電文(D碼)模2和形成合成碼，發(fā)送至混頻器?；祛l器將合成碼以BPSK方式調(diào)制在L1載波上，形成GPS信號(hào)，后經(jīng)帶通濾波器濾掉電路中的噪聲，凈化后的信號(hào)再經(jīng)放大器放大由發(fā)射天線向空中發(fā)射。
本發(fā)明地面GPS發(fā)射器，由于采用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器作基準(zhǔn)時(shí)鐘，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于攜帶，安裝方便，適合作工程儀器，在工程監(jiān)測(cè)中使用。


圖1、為本發(fā)明地面GPS發(fā)射器結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2、為PLL電路原理圖；圖3、為導(dǎo)航電文電路原理圖；圖4、為合成碼發(fā)生器(CPLD)設(shè)計(jì)流程；；圖5、為CPLD內(nèi)部功能模塊圖；圖6、為D碼硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
實(shí)施例如圖1所示，地面GPS發(fā)射器，包括基準(zhǔn)時(shí)鐘，可編程邏輯器、導(dǎo)航電文(D碼)電路、鎖相環(huán)電路、混頻器、放大器、發(fā)射天線。鎖相環(huán)電路由環(huán)路濾波器、鑒相器和壓控振蕩器構(gòu)成?；鶞?zhǔn)時(shí)鐘采用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，基準(zhǔn)時(shí)鐘分別向鎖相環(huán)電路和可編程邏輯器發(fā)送基頻信號(hào)；鎖相環(huán)電路將依據(jù)基頻信號(hào)而產(chǎn)生的L1載波經(jīng)帶通濾波器去噪后傳送給混頻器；可編程邏輯器(CPLD)在基準(zhǔn)頻率下產(chǎn)生連續(xù)的C/A碼，與導(dǎo)航電文(D碼)電路每20ms送來(lái)的導(dǎo)航電文(D碼)模2和形成合成碼，發(fā)送至混頻器?；祛l器將合成碼以BPSK方式調(diào)制在L1載波上，形成GPS信號(hào)，后經(jīng)帶通濾波器濾掉電路中的噪聲，凈化后的信號(hào)再經(jīng)放大器放大由發(fā)射天線向空中發(fā)射。
地面GPS發(fā)射器的設(shè)計(jì)采用GPS衛(wèi)星的信號(hào)設(shè)計(jì)原理，選用GPS的L1載波1575.42MHz，用C/A碼來(lái)調(diào)制偽衛(wèi)星的導(dǎo)航電文。圖1給出了地面GPS發(fā)射器結(jié)構(gòu)原理示意圖。從功能上整個(gè)電路可以分成三部分L1載波發(fā)生電路、組合碼發(fā)生電路、組合碼的調(diào)制及信號(hào)發(fā)送電路。L1載波是通過(guò)鎖相環(huán)(PLL)電路生成，PLL電路原理如圖2所示，PLL電路是由環(huán)路濾波器、鑒相器和壓控振蕩器三部份組成，環(huán)路濾波器(LP)具有低通特性，它可以起到低通濾波器的作用，更重要的是它對(duì)環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性的作用。鑒相器(PD)是一個(gè)相位比較裝置，用來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)相位與反饋信號(hào)相位之間的相位差。輸出的誤差信號(hào)是相差的函數(shù)，以用來(lái)控制壓控振蕩器。壓控振蕩器(VCO)是一個(gè)電壓頻率變換裝置，在環(huán)中作為被控振蕩器，它的振蕩頻率應(yīng)隨輸入控制電壓uc(t)線性地變化。在整個(gè)環(huán)路電路對(duì)L1載波頻率信號(hào)穩(wěn)定起著很大作用。
在組合碼發(fā)生電路方面，我們使用Xilinx公司的CPLD以產(chǎn)生C/A碼(見(jiàn)圖5)和導(dǎo)航電文(D碼)疊加形成(見(jiàn)圖6)。D碼內(nèi)容可以利用控制計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-232口傳送到單片機(jī)中保存。
最后是調(diào)制及發(fā)送電路，L1載頻通過(guò)雙相相移鍵控(BPSK)把組合碼調(diào)制上去，然后通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行濾波以去除噪聲信號(hào)，最后把信號(hào)進(jìn)行放大通過(guò)發(fā)射天線向空中發(fā)送出去。
在整個(gè)電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要分為模擬電路和數(shù)字電路兩方面的內(nèi)容，模擬電路在L1載波方面對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘倍頻我們使用鎖相環(huán)電路以產(chǎn)生穩(wěn)定的載波頻率。在數(shù)字電路方面我們打破傳統(tǒng)的方法，以前在一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)好時(shí)，要升級(jí)是比較困難的?，F(xiàn)在我們使用單片機(jī)和可編程器件，由于這兩種器件對(duì)系統(tǒng)調(diào)試和升級(jí)來(lái)說(shuō)是比較方便，因此只要在程序進(jìn)行改動(dòng)，而不必對(duì)元器件以及結(jié)構(gòu)上進(jìn)行變更。這樣對(duì)未來(lái)系統(tǒng)開發(fā)節(jié)約了大量的成本。
總之，在整個(gè)電路的整體結(jié)構(gòu)上，是把基準(zhǔn)時(shí)鐘送給鎖相環(huán)(PLL)電路和組合碼發(fā)生電路，然后鎖相環(huán)(PLL)電路產(chǎn)生的L1載波通過(guò)BPSK把組合碼調(diào)制上去，最后通過(guò)濾波器和放大器進(jìn)入天線發(fā)射出去。
載波的產(chǎn)生
在圖1中基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率為10.23Mhz，經(jīng)過(guò)壓控振蕩器、鑒相器和環(huán)路濾波器電路以后產(chǎn)生L1載波。其中壓控振蕩器、鑒相器和環(huán)路濾波器組成鎖相環(huán)電路。下面逐個(gè)介紹基本部件在環(huán)路中的作用。
鑒相器(PD)是一個(gè)相位比較裝置，用來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)相位與反饋信號(hào)相位之間的相位差。輸出的誤差信號(hào)是相差的函數(shù)，即鑒相特性可以是多種多樣的，有正弦形特性、三角形特性、鋸齒形特性等等。常用的正弦鑒相器可用模擬相乘器與低通濾波器的串接作為模型。
環(huán)路濾波器(LF)具有低通特性，它可以起到圖中低通濾波器的作用，更重要的是它對(duì)環(huán)路參數(shù)調(diào)整起差決定性的作用。
壓控振蕩器(VCO)是一個(gè)電壓——頻率變換裝置，在環(huán)中作為被控振蕩器，它的振蕩頻率應(yīng)隨輸入控制電壓uc(t)線性地變化。實(shí)際應(yīng)用中的壓控振蕩器的控制特性只有有限的線性控制范圍，超出這個(gè)范圍之后控制靈敏度將會(huì)下降。
壓控振蕩器應(yīng)是一個(gè)具有線性控制特性的調(diào)頻振蕩器，對(duì)它的基本要求是頻率穩(wěn)定度好(包括長(zhǎng)期穩(wěn)定度與短期穩(wěn)定度)；控制靈敏度K0要高；控制特性的線性度要好；線性區(qū)域要寬等等。這些要求之間往往是矛盾的，設(shè)計(jì)中要折衷考慮。
鎖相環(huán)路環(huán)路的兩種基本狀態(tài)第一個(gè)是捕獲過(guò)程。評(píng)價(jià)捕獲過(guò)程性能有兩個(gè)主要指標(biāo)。一個(gè)是環(huán)路的捕獲帶ΔωP，即環(huán)路能通過(guò)捕獲過(guò)程而進(jìn)入同步狀態(tài)所允許的最大固有頻差|Δωo|max。若Δωo＞Δωp，環(huán)路就不能通過(guò)捕獲進(jìn)入同步狀態(tài)。故Δωp＝|Δωo|max另一個(gè)指標(biāo)是捕獲時(shí)間Tp，它是環(huán)路由起始時(shí)刻到進(jìn)入同步狀態(tài)的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔，捕獲時(shí)間Tp的大小除決定于環(huán)路參數(shù)之外，還與起始狀態(tài)有關(guān)。一般情況下輸入起始頻差越大，Tp就越大，通常以起始頻差等于Δωp，來(lái)計(jì)算最大捕獲時(shí)間，并把它作為環(huán)路的性能指標(biāo)之一。
環(huán)路的另一個(gè)基本工作狀態(tài)是同步。環(huán)路鎖定之后穩(wěn)態(tài)頻差等于零。穩(wěn)態(tài)相差通?？偸谴嬖诘?。它是一個(gè)固定值，反映了環(huán)路跟蹤的精度，是一重要的指標(biāo)。此外，已經(jīng)鎖定的鎖相環(huán)路，若再改變其固有頻差Δωo，穩(wěn)態(tài)相差會(huì)隨之改變。當(dāng)固有頻差Δωo增大到某一值時(shí)，環(huán)路將不能維持鎖定。這個(gè)鎖相環(huán)路能夠保持鎖定狀態(tài)所允許的最大固有頻差稱為環(huán)路的同步帶，也是環(huán)路的一個(gè)重要參數(shù)。
上面提到的幾項(xiàng)指標(biāo)是對(duì)環(huán)路最基本的性能要求。鎖相環(huán)路作為一個(gè)控制系統(tǒng)，要全面衡量它的性能還有許多指標(biāo)，諸如穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、對(duì)干擾和噪聲的過(guò)濾能力等等，參照這些指標(biāo)在設(shè)計(jì)電路時(shí)要加以考慮。
鎖相環(huán)路的跟蹤性能實(shí)際的鎖相環(huán)路在鎖定狀態(tài)之下的穩(wěn)態(tài)相差通常是比較小的。鎖定之后，若輸入信號(hào)的相位θ1(t)發(fā)生變化，被控振蕩器的輸出相位θ2(t)將進(jìn)行跟蹤，在此過(guò)程中環(huán)路相差θe(t)是變化的。假如在整個(gè)跟蹤過(guò)程中，環(huán)路相差θe(t)始終比較小。這種可以將環(huán)路近似為線性系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行分析的跟蹤過(guò)程稱為線性跟蹤。應(yīng)該注意，線性跟蹤是在環(huán)路的同步狀態(tài)下進(jìn)行的，這是鎖相環(huán)路正常工作時(shí)最常見(jiàn)的情況。
當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，輸出頻率與輸入頻率相同，兩者之間只有一穩(wěn)態(tài)相差。在此條件下，若輸入信號(hào)發(fā)性相位或頻率的變化(干擾或調(diào)制所引起的)，通過(guò)環(huán)路自身的控制作用，環(huán)路輸出信號(hào)，也即壓控振蕩器的振蕩頻率和相位，會(huì)跟蹤輸入信號(hào)的變化。如果是理想的跟蹤，輸出信號(hào)的頻率和相位應(yīng)時(shí)時(shí)與輸入信號(hào)相同。其實(shí)不然，環(huán)路需有一個(gè)跟蹤過(guò)程。首先，出現(xiàn)過(guò)程有暫態(tài)相位誤差，其次在到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后，據(jù)輸入信號(hào)形式的不同，有不同的相位誤差。上述由于輸入信號(hào)變化而引起的暫態(tài)相位誤差和穩(wěn)態(tài)相位誤差的大小，是衡量環(huán)路線性跟蹤性能好壞的重要標(biāo)志。它們不僅與環(huán)路本身的參數(shù)有關(guān)，還與輸入信號(hào)的變化形式有關(guān)。
根據(jù)以上分析可知對(duì)于同一種環(huán)路來(lái)說(shuō)，輸入信號(hào)變化越快，其跟蹤性能就越差；同一信號(hào)加入不同的鎖相環(huán)路，其穩(wěn)態(tài)相差是不同的。
鎖相環(huán)路噪聲性能鎖相環(huán)路無(wú)論工作在哪種應(yīng)用場(chǎng)合，都不可避免地受到噪聲和干擾的作用。噪聲和干擾的來(lái)源主要有兩類一類是與信號(hào)一起進(jìn)入環(huán)路的輸入噪聲與諧波干擾。輸入噪聲包括信號(hào)源或信道產(chǎn)生的高斯白噪聲、環(huán)路作載波提取用時(shí)信號(hào)調(diào)制形成的調(diào)制噪聲，另一類是環(huán)路部件產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲與諧波干擾，以及壓控振蕩器控制端感應(yīng)的寄生干擾等，其中壓控振蕩器內(nèi)部的噪聲是主要的噪聲源。
噪聲與干擾的作用必然會(huì)增加環(huán)路捕獲的困難，降低跟蹤性能，使環(huán)路輸出相位產(chǎn)生隨機(jī)的抖動(dòng)。若環(huán)路用作頻率合成信號(hào)源與微波固態(tài)信號(hào)源，則輸出頻譜不純，短期頻率穩(wěn)定度變差；若環(huán)路用作調(diào)制解調(diào)器，則輸出信噪比下降，較強(qiáng)的干擾與噪聲還會(huì)使環(huán)路發(fā)生周跳和失鎖的概率加大，以致出現(xiàn)門限效應(yīng)。
鎖相環(huán)路捕獲性能在開機(jī)、換頻、及由開環(huán)到閉環(huán)，一開始環(huán)路總是失鎖的，因此環(huán)路需經(jīng)由失鎖進(jìn)入鎖定的過(guò)程。通常把使環(huán)路進(jìn)入鎖定的過(guò)程稱為捕獲。
在我們所應(yīng)用的鎖相環(huán)中，存在相位捕獲和頻率捕獲兩個(gè)捕獲過(guò)程。自捕獲和輔助捕獲如果環(huán)路依靠自己的控制能力達(dá)到捕獲鎖定，稱這種捕獲過(guò)程為自捕獲。若環(huán)路借助于輔助電路才能實(shí)現(xiàn)捕獲鎖定，則稱這種捕獲過(guò)程為輔助捕獲。
在固定頻率輸入下，視固有頻差Δωo的大小，二階環(huán)路有產(chǎn)生穩(wěn)定的差拍狀態(tài)和進(jìn)入鎖定兩種可能性。保證環(huán)路必然進(jìn)入鎖定的最大固有頻差值，稱為捕獲帶。由于二階環(huán)的捕獲過(guò)程包含頻率捕獲和相位捕獲兩個(gè)過(guò)程，通常又把保證環(huán)路只有相位捕獲過(guò)程的最大固有頻差值，稱為快捕帶。頻率捕獲所需的時(shí)間，稱為頻率捕獲時(shí)間。相位捕獲所需要的時(shí)間稱為快捕時(shí)間(或相位捕獲時(shí)間)。通常頻率捕獲時(shí)間總是遠(yuǎn)大于相位捕獲時(shí)間的，所以一般所說(shuō)的捕獲時(shí)間，就是指頻率捕獲時(shí)間，而不考慮相位捕獲時(shí)間的影響。
依靠環(huán)路的自身捕獲，捕獲時(shí)間長(zhǎng)，捕獲帶窄，另外還可能出現(xiàn)延滯、假鎖等不能可靠捕獲的現(xiàn)象。因此研究各種有效的輔助捕獲方法，是十分必要的。
為改善環(huán)路捕獲性能，總希望捕獲帶越寬越好，捕獲時(shí)間越短越好。為了加大環(huán)路的捕獲帶，應(yīng)提高環(huán)路的增益K或者增加濾波器的帶寬。為縮短環(huán)路的捕獲時(shí)間，除用與前者相同的措施以外，還可設(shè)法減小作用到環(huán)路上的起始頻差。但是加大環(huán)路增益或?yàn)V波器帶寬往往是與提高環(huán)路的跟蹤性能和濾波性能的要求相矛盾的。一般在設(shè)計(jì)環(huán)路時(shí)，總是優(yōu)先考慮環(huán)路的跟蹤性能和濾波性能，而對(duì)捕獲性能的要求，則采用一些輔助捕獲的方法來(lái)得到滿足。此外，為了有效地克服延滯與假鎖，在環(huán)路中也往往要求加入輔助捕獲裝置。
由于發(fā)射器產(chǎn)生的是連續(xù)輸出的信號(hào)，因此載波頻率由壓控振蕩器產(chǎn)生，通過(guò)調(diào)整壓控振蕩器的輸入電壓，其輸出頻率在1550～1600MHz之間可調(diào)。頻率經(jīng)鎖相環(huán)乘以154后與基準(zhǔn)振蕩器(通常為溫補(bǔ)可控晶體振蕩器)所產(chǎn)生的10.23MHz標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，再進(jìn)一步通過(guò)環(huán)路濾波器調(diào)整壓控振蕩器，直至這兩種信號(hào)的頻率和相位完全一致。以上的步驟將確保壓控振蕩器的輸出頻率為L(zhǎng)1載波頻率，即1575.42Mhz。
C/A碼的硬件構(gòu)成及功能CPLD的結(jié)構(gòu)由于C/A碼的產(chǎn)生比較簡(jiǎn)單，只需要一些與非門就可以實(shí)現(xiàn)，但用傳統(tǒng)的模擬電路搭建比較復(fù)雜，因此這里選用CPLD。CPLD內(nèi)部大致包括三種結(jié)構(gòu)可編程邏輯宏單元、可編程I/O單元和可編程內(nèi)部連線。
與PLD相比較，CPLD有更多的輸入信號(hào)，乘積項(xiàng)和宏單元.CPLD內(nèi)含多個(gè)邏輯塊，每個(gè)邏輯塊就相當(dāng)于一片PLD，這些邏輯塊可以使用可編程內(nèi)部互連來(lái)實(shí)現(xiàn)相互間的聯(lián)系。而且CPLD結(jié)構(gòu)上的規(guī)劃更加合理，從而有效地節(jié)約了硅片的面積，提高了性能，降低了成本。下面介紹CPLD的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。
(1)可編程內(nèi)部互連可編程內(nèi)部互連用于從I/O到邏輯塊輸入的信號(hào)布線，，或者對(duì)從邏輯塊輸出到其自身的輸入或其它邏輯塊的輸入的信號(hào)布線.有的邏輯塊有自己的的內(nèi)部反饋，而不需要把輸出反饋到可編程內(nèi)部互連中去。
(2)邏輯塊CPLD的一個(gè)邏輯塊類似于一個(gè)PLD，有乘積項(xiàng)陣列，乘積項(xiàng)分配機(jī)構(gòu)和宏單元。不同廠家的CPLD采用不同的機(jī)構(gòu)來(lái)處理乘積項(xiàng)分配問(wèn)題和簡(jiǎn)單的PLD相比，CPLD的宏單元通?？删哂杏|發(fā)器和極性控制器性能。許多CPLD內(nèi)含有可以配置的D觸發(fā)器或者T觸發(fā)器，從而可以更有效的實(shí)現(xiàn)邏輯表達(dá)式。
(3)I/O元胞用來(lái)根據(jù)其輸出使能狀態(tài)來(lái)驅(qū)動(dòng)信號(hào)從器件輸出，以及為輸入的外來(lái)信號(hào)提供一個(gè)輸入數(shù)據(jù)通道。
程序設(shè)計(jì)流程對(duì)于本設(shè)計(jì)中的CPLD/FPGA開發(fā)系統(tǒng)，程序采用自上而下的設(shè)計(jì)流程，如圖4所示。
1設(shè)計(jì)輸入當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的確定后，采用原理圖設(shè)計(jì)或硬件描述語(yǔ)言(HDL)或二者的結(jié)合設(shè)計(jì)完成由系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念到EDA軟件的轉(zhuǎn)換，使得開發(fā)系統(tǒng)能夠理解設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
使用原理圖設(shè)計(jì)在早期的應(yīng)用比較廣泛，但隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，但這種方法在程序需要做修改時(shí)，可維護(hù)性與移植性都很差，因此選擇用HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)輸入。在這一步中，涉及到CPLD器件的選型、元器件的建庫(kù)、VHDL/Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)輸入。
2功能仿真在設(shè)計(jì)完成后，要驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確與否，設(shè)計(jì)的電路必須在編譯之前進(jìn)行邏輯功能驗(yàn)證，因此也叫做邏輯仿真。由于沒(méi)有用到實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的時(shí)序信息，此時(shí)的仿真沒(méi)有延時(shí)信息，對(duì)于初步的功能檢測(cè)非常方便，仿真前，要先利用波形編輯器和硬件描述語(yǔ)言等建立波形文件和測(cè)試向量，仿真結(jié)果將會(huì)生成報(bào)告文件和輸出信號(hào)波形，從中便可以觀察到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)變化。如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則返回設(shè)計(jì)輸入中修改邏輯設(shè)計(jì)。它可以在設(shè)計(jì)初期糾正設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，這是十分重要的一步。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)講，除了最頂層的原理圖要進(jìn)行功能仿真以外，每一層原理圖、每一個(gè)用戶自生成的模塊都要進(jìn)行功能仿真，及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，修改程序。
3設(shè)計(jì)綜合功能仿真成功編譯通過(guò)后，就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合。這個(gè)過(guò)程是把設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)到具體芯片的過(guò)程，把設(shè)計(jì)分割、映射、布局到器件的各個(gè)功能塊。具體的過(guò)程為網(wǎng)絡(luò)表轉(zhuǎn)換→映射→布局布線→產(chǎn)生時(shí)序數(shù)據(jù)→產(chǎn)生配置文件這5個(gè)步驟。綜合完成后產(chǎn)生報(bào)告文件，其內(nèi)容包括片內(nèi)資料利用率、輸入/輸出引腳分布情況以及引腳到引腳間的延時(shí)、系統(tǒng)的最大延時(shí)與最小延時(shí)和系統(tǒng)最大工作頻率及最小工作頻率等芯片的資源利用信息，供設(shè)計(jì)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)參考。
4時(shí)序仿真時(shí)序仿真是檢驗(yàn)裝載在指定的器件的設(shè)計(jì)在最壞的情況下按所需速度工作的情況，它是在對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行映射、布局、布線之后進(jìn)行的，這時(shí)所有設(shè)計(jì)中的延時(shí)都為已知。如果仿真結(jié)果顯示由于延時(shí)而造成邏輯錯(cuò)誤，就需要在設(shè)計(jì)輸入時(shí)對(duì)關(guān)鍵電路進(jìn)行設(shè)計(jì)約束?？梢灾苯釉谠O(shè)計(jì)輸入中修改受影響的路徑或利用設(shè)計(jì)約束文件加以限制，最終消除延時(shí)對(duì)電路的影響。
5系統(tǒng)驗(yàn)證一般功能仿真和時(shí)序仿真稱為設(shè)計(jì)驗(yàn)證。而系統(tǒng)驗(yàn)證則是將CPLD配置信息加載到CPLD內(nèi)部后，通過(guò)外部觀測(cè)設(shè)備(如數(shù)字示波器，邏輯分析儀等)來(lái)驗(yàn)證CPLD是否實(shí)現(xiàn)了所要求。系統(tǒng)驗(yàn)證通過(guò)后，至此可認(rèn)為CPLD整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)基本完成。
依據(jù)C/A碼的產(chǎn)生要求，CPLD內(nèi)程序模塊由以下幾個(gè)部分基準(zhǔn)時(shí)鐘10分頻、G1序列發(fā)生器、G2序列發(fā)生器、C/A碼實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選用的是時(shí)鐘頻率是10.23Mhz，而C/A碼產(chǎn)生需要1.023Mhz，因此需要分頻。G1、G2序列發(fā)生器各產(chǎn)生一個(gè)10級(jí)移位序列寄存器。C/A碼產(chǎn)生的VHDL源程序結(jié)構(gòu)體如下architecture behavior of CA_code isbeginprocess(clk)beginif clk'event and clk='1'thenCA_out<=g1_code xor g2_code;
end if;
end process;
end behavior;
CPLD內(nèi)各功能模塊關(guān)系如圖5所示。
需要說(shuō)明的是在此CPLD內(nèi)，有產(chǎn)生50bit的功能模塊。這是因?yàn)镃PLD是高速數(shù)字化的電路，而在此設(shè)計(jì)中要求時(shí)鐘要很準(zhǔn)確，導(dǎo)航電文D碼要每隔20ms發(fā)出一位，而單片機(jī)電路滿足不了這一要求，所以由CPLD內(nèi)的電路產(chǎn)生，也就是基準(zhǔn)時(shí)鐘是10.23Mhz，在經(jīng)過(guò)10分頻以后，再經(jīng)過(guò)1023譯碼器、20計(jì)數(shù)器產(chǎn)生50bit的時(shí)間脈沖，來(lái)控制D碼的輸出。確保一位D碼與20個(gè)周期的C/A碼進(jìn)行模2相加。
D碼的硬件構(gòu)成及功能實(shí)現(xiàn)D碼的硬件構(gòu)成及功能由于GPS偽衛(wèi)星中的導(dǎo)航電文包括偽衛(wèi)星星歷、偽衛(wèi)星星鐘改正、工作狀態(tài)信息等，每隔一定的時(shí)間這些信息要更新一次。導(dǎo)航電文信息格式為二進(jìn)制序列，控制計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232口將導(dǎo)航電文更新信息傳至單片機(jī)，單片機(jī)再通過(guò)地址線將其送至動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中，以后每隔20ms，送一位導(dǎo)航數(shù)據(jù)碼至CPLD。該電路按功能劃分為檢測(cè)單元、通訊單元和抗干擾單元。原理如圖6所示。
1檢測(cè)單元(1)單片機(jī)本系統(tǒng)選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)，它是一種帶有4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM-FlashProgrammable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，因此是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。
AT89S52主要特性·與MCS-51兼容；·4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器，；·壽命1000寫/擦循環(huán)；·數(shù)據(jù)保留時(shí)間10年；·全靜態(tài)工作0Hz-24Hz；·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；·128*8位內(nèi)部RAM；·32可編程I/O線；·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；·5個(gè)中斷源；·可編程串行通道；·低功耗的閑置和掉電模式；·片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。
另外與其它單片機(jī)相比還具有性能價(jià)比高，功耗低，使用方便等特點(diǎn)，所以完全滿足本設(shè)計(jì)的硬件要求。
(2)CPLDC/A碼需要有2個(gè)10級(jí)移位寄存器，因此選用了Xilinx公司的CPLD芯片XC95144來(lái)實(shí)現(xiàn)。該芯片由8個(gè)36V18功能模塊，3200個(gè)可用門電路組成，延遲時(shí)間為7.5ns。XC95144是一種高可靠性的CPLD，集成度高，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，具有在線編程、仿真和測(cè)試功能。
2通訊單元(1)RS232通訊本系統(tǒng)需要由控制計(jì)算機(jī)將導(dǎo)航電文(D碼)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，因此設(shè)計(jì)一個(gè)通過(guò)串口通訊接口RS232來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，選用了MAX232芯片，將導(dǎo)航電文(D碼)信號(hào)由上位機(jī)控制計(jì)算機(jī)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，通過(guò)軟件接口顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖兓?，從而?zhǔn)確實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑诰€檢測(cè)。
(2)單片機(jī)與CPLD的通訊單片機(jī)電路實(shí)現(xiàn)D碼的傳輸，CPLD產(chǎn)生C/A碼。CPLD為單片機(jī)提供時(shí)間控制線，因?yàn)镈碼每20ms輸出一位，所以在CPLD中用計(jì)數(shù)器程序產(chǎn)生間隔20ms的控制線去控制單片機(jī)；反過(guò)來(lái)單片機(jī)為CPLD提供D碼輸出，從而在CPLD中實(shí)現(xiàn)C/A碼與D碼的模2相加。
2抗干擾單元(1)抗干擾穩(wěn)壓電源主要為系統(tǒng)各部分電路提供可靠的工作電源。電源電壓首先經(jīng)電壓調(diào)整器LM317，再經(jīng)接于各元件電壓和地之間的電容整流、濾波及不同的穩(wěn)壓電路，從而為給定的電路提供穩(wěn)定的設(shè)定電壓。
(2)看門狗為了使系統(tǒng)可靠運(yùn)行，采用了硬件復(fù)位看門狗電路，防止程序運(yùn)行時(shí)失控和提供外部復(fù)位功能。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾，程序發(fā)生“跑飛”或”死機(jī)”時(shí)，看門狗可以使程序復(fù)位。
D碼的軟件設(shè)計(jì)D碼由于是實(shí)時(shí)變化的數(shù)據(jù)流，所以用單片機(jī)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)選用單片機(jī)，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，地址鎖存器，看門狗及RS232串口來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于選用的是單片機(jī)，因此選用相應(yīng)的嵌入式語(yǔ)言C來(lái)進(jìn)行軟件編程。
C語(yǔ)言功能強(qiáng)大，語(yǔ)言豐富，兼有高低級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，它是一種編譯型程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，并具備匯編語(yǔ)言的功能。其中有功能豐富的庫(kù)函數(shù)、運(yùn)算速度快、編譯效率高、有良好的可移植性，可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制。同時(shí)C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它支持當(dāng)前程序設(shè)計(jì)中廣泛采用的由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。此外，C語(yǔ)言程序具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)，從而為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法提供了有力的保障。因此在設(shè)計(jì)中選用C語(yǔ)言在Medwin軟件開發(fā)環(huán)境中對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程。用C語(yǔ)言來(lái)編寫目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而使整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)模更大、性能更完備。在調(diào)試過(guò)程中先使用ME-52H型單片機(jī)仿真器預(yù)先進(jìn)行仿真，隨時(shí)修改程序中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，經(jīng)仿真器編譯確認(rèn)無(wú)誤后，再利用單片機(jī)燒錄器將調(diào)試后的程序裝載入單片機(jī)。這樣設(shè)計(jì)提高了編程效率和程序的準(zhǔn)確性，避免了將程序裝入單片機(jī)后進(jìn)行調(diào)試從而有可能對(duì)芯片造成損害。軟件的程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。
合成碼的實(shí)現(xiàn)C/A碼和D碼設(shè)計(jì)完成后，需要在CPLD中把它們進(jìn)行模2相加。傳輸1位D碼需要20ms的時(shí)間，因此1位D碼要與20個(gè)周期的C/A碼模2相加，輸出的合成碼便是BPSK擴(kuò)頻調(diào)制需要的。
CPLD內(nèi)合成碼的VHDL設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體如下Architecture behavior of compbeginprocess(clk)beginIf clk'event and clk='1'thencomp<=d_code xor A_code;end if;end process;end behavior.
權(quán)利要求
1.一種地面GPS發(fā)射器，包括基準(zhǔn)時(shí)鐘，可編程邏輯器、導(dǎo)航電文(D碼)電路、鎖相環(huán)電路、混頻器、放大器、發(fā)射天線；其特征是基準(zhǔn)時(shí)鐘采用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，基準(zhǔn)時(shí)鐘分別向鎖相環(huán)電路和可編程邏輯器發(fā)送基頻信號(hào)；鎖相環(huán)電路將依據(jù)基頻信號(hào)而產(chǎn)生的L1載波經(jīng)帶通濾波器去噪后傳送給混頻器；可編程邏輯器在基準(zhǔn)頻率下產(chǎn)生連續(xù)的C/A碼與導(dǎo)航電文電路送來(lái)的導(dǎo)航電文模2和形成合成碼，發(fā)送至混頻器；混頻器將合成碼以BPSK方式調(diào)制在L1載波上，形成GPS信號(hào)，后經(jīng)帶通濾波器濾掉電路中的噪聲，凈化后的信號(hào)再經(jīng)放大器放大由發(fā)射天線向空中發(fā)射。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種地面GPS發(fā)射器，包括基準(zhǔn)時(shí)鐘，可編程邏輯器、導(dǎo)航電文(D碼)電路、鎖相環(huán)電路、混頻器、放大器、發(fā)射天線；基準(zhǔn)時(shí)鐘采用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，基準(zhǔn)時(shí)鐘分別向鎖相環(huán)電路和可編程邏輯器發(fā)送基頻信號(hào)；鎖相環(huán)電路將依據(jù)基頻信號(hào)而產(chǎn)生的L1載波經(jīng)帶通濾波器去噪后傳送給混頻器；可編程邏輯器在基準(zhǔn)頻率下產(chǎn)生連續(xù)的C/A碼與導(dǎo)航電文電路送來(lái)的導(dǎo)航電文模2和形成合成碼，發(fā)送至混頻器；混頻器將合成碼以BPSK方式調(diào)制在L1載波上，形成GPS信號(hào)，后經(jīng)帶通濾波器濾噪，再經(jīng)放大由發(fā)射天線向空中發(fā)射。本發(fā)明成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于攜帶，安裝方便，適合作工程儀器在工程監(jiān)測(cè)中使用。
文檔編號(hào)G01S1/00GK1825137SQ20061003901
公開日2006年8月30日 申請(qǐng)日期2006年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月23日
發(fā)明者何秀鳳, 桑文剛 申請(qǐng)人:河海大學(xué)