GPS自适应调零天线信号处理部分设计

摘要：针对GPS抗干扰问题，常用手段是在信号处理系统中采用自适应调零算法来实现抗干扰。结合该算法文中给出了一种信号处理系统的硬件实现方案。首先概述GPS自适应调零天线的系统结构，然后给出信号处理系统的硬件设计思路及其功能模块的实现，最后通过实测数据验证硬件模块可以满足自适应调零算法的要求。

GPS即全球定位系统(Global Positioning System)，是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统，该系统可实现导航、定位、授时等功能。但GPS信号比较容易受敌方干扰，与之类似，未来我国的北斗二代卫星导航系统也会遇到同样的问题，现在研究GPS抗干扰系统对我国自身的卫星导航技术发展具有重要的应用价值。针对项目需求和背景，结合抗干扰调零算法，先给出了数字调零天线的系统结构图，然后详细说明了信号处理系统及各个模块的功能与选型，最后通过测试数据验证了信号处理系统的硬件设计满足项目要求。

GPS抗干扰系统如采用数字调零天线，按信号输出形式分为射频输出和中频输出两种设计方案。由于当前大量投入使用的普通GPS卫星接收机未到淘汰年限，并且没有抗干扰功能。如果采用射频输出的抗干扰调零天线方案，可以在保持原有接收机结构条件下，仅替换射频端就可以实现接收机的抗干扰功能，具有较高的经济效益；而最新开发的GPS接收机多采用数字调零中频输出方案，这种方案结构简单，实现难度低，质量稳定可靠。文中GPS抗干扰系统采用数字调零天线射频输出的方案，而中频输出方案则可通过修改射频输出方案来实现。

GPS数字调零天线主要包括射频模块和信号处理模块。射频模块负责信号的放大和频率转换以及接口一致性，其中在射频通道中包括上变频射频通道和下变频射频通道，下变频部分是把输入的L1频率信号变频到14MHz中频，而上变频部分是把中频信号变频到L1频率上去；信号处理模块负责实现抗干扰调零算法及数据传输。

1 信号处理系统硬件设计与实现

在信号处理系统硬件设计之前，需要明确信号处理系统的数据流向，首先由7路中频模拟信号进入信号处理系统，通过采样把模拟信号转换成数字信号，然后经过下变频芯片把中频信号变为基带信号，电平转换后送给FPGA实现抗干扰调零算法，最后由FPGA发出信号经过电平转换和上变频，通过数模转换变成中频模拟信号送给射频模块。

1.1 信号处理器系统

信号处理器是信号处理系统中最重要的芯片，针对抗干扰调零算法运算量大，并要求输入数据同步的特点，一般有两种主流解决方案：(1)使用多片通用可编程DSP作为信号处理芯片。(2)使用高性能FPGA作为信号处理芯片。通用多片DSP处理器的优势在于软件容易修改且算法容易实现，而其硬件本身则没有太大的灵活性。多片DSP同时处理数据，对整个系统的稳定性提出了更高的要求，到达信号处理器的7路信号，每一路都有16位数据和1位时钟，对于如此多的管脚要求，显然DSP很难与之无缝连接。如果使用FPGA方案，由于FPGA有丰富的通用I/O管脚，很容易做到无缝连接，并且在FPGA中使用状态机可以实现7路数据同步，满足算法对数据同步的要求，高性能的FPGA是在原有的高密度逻辑宏单元基础上嵌入了许多专用DSP硬件模块，又满足了算法对计算量的要求。

根据设计要求，为保证7路数据同步，需要使用FPGA给A/D模块、数字变频模块、D/A模块提供相同的时钟信号，这样做会消耗大量的FPGA全局时钟资源。如果加上算法在同一块FPGA中实现，就有可能产生时钟资源冲突，所以这次信号处理器使用主副FPGA的方式，主FPGA提供算法的实现，副FPGA向外设提供时钟信号和控制信号。这种方式将提供更大的灵活性，如后续升级只需考虑修改主FPGA的算法，其余模块无需改变。

主FPGA处理数据的能力标志着一个系统的性能，因而系统采用Xilinx公司Virtex-6系列的XC6VLXT75T，它可以提供5616kB的内嵌块RAM，拥有多达288个DSP48E1，单端通用I/O有360个，可以实现高性能滤波以及其他数字信号处理功能。副FPGA主要提供时钟和控制信号，系统选择Xilinx公司Spartan-6系列的XC6Slx16，它可以提供2路CMT，以及576kB的RAM和232个用户I/O。

1.2 数字变频模块

数字变频一般有两种方法实现：一种是使用FPGA；另一种是使用专用变频芯片。利用FPGA实现变频器件具有灵活的特点，但数字变频设计计算量较大，会耗费大量的FPGA资源，如果抗干扰算法也使用较复杂的算法，就有可能产生资源冲突；当数据处理速率较高时，FPGA实现的性能远不如专用数字变频器件。

数字下变频包括数字解调，低通滤波等几个处理环节，利用NCO，FIR滤波器可以完成数字下变频；数