基于PCI9820和GP2015的GPS信号采集与频

供测试使用。

在片内该中频信号随后进入A/D转换器进行2 b量化后，模拟信号转换为二位数字信号――符号和模(SIGN和MAG)，分别表示输出信号的极性和幅度值，它们来自于中频模拟信号通过比较器比较之后实时输出的比较结果。比较结果的输出被基带相关器提供的时钟信号(5.714 Mttz)锁定，锁定后使4.309 MHz的信号变频到1.405 MHz的数字信号。该数字信号输出给基带处理器做进一步处理。

这里使用的是GP2015第一管脚的4.309 MHz的模拟中频信号，送到PCI9820数据采集卡，按照一定采样率，采集得到数字中频GPS信号。

用GP2015 构建射频模块还包括外围滤波器的设计，射频滤波器的作用是滤除带外干扰，特别是滤除1 224.58 MHz的镜像噪声，避免射频前端第一级混频器过载。该滤波器还有助于对900 MHz的移动电话所带来的干扰进行滤除。射频滤波器引入的插入损耗需要由LNA前置低噪放大器做出补偿。具体细节可参考手册及文献[5-7]。

4采样方案及信号频谱分析

4.1 采样方案

GP2015 输出4.309 MHz的模拟中频信号，而GPS的C/A码带宽为2.046 MHz，因此GPS信号所占频带为3.286～5.332 MHz，中频信号的最高频率为fH=5.332 MHz。按照Nyquist低通采样定理，当采样频率fs≥2fH时，就能够从采样后的数据中无失真地恢复出原来的信号，信号在时域的采样等效于在频域的周期延拓，使fs≥2fH就是为了保证采样后的信号频谱不重叠，因此可知采样频率最低为fs=10.664 MHz。但采样频率越高，后端数字基带处理的数据处理量就越大，对实时处理GPS信号带来了困难。所以工程实际中经常使用带通采样技术，降低采样率，有利于简化硬件、降低成本，同时减轻后续数据处理的压力。

对于GPS中频带通信号，其带宽为B=2.046 MHz，只要取fs≥2B的某些值，就可以保证采样后的信号频谱不重叠。这种采样方式就称为带通采样(Band-Sampling)，又叫欠采样(Under-Sampling)，带通采样频率fs可由下式确定：

其中，fH是带通信号的最高频率，fL是带通信号的最低频率，n为整数，取值范围为2≤n≤fH/(fH-fL)。

对于这里的GPS中频信号，fH=5.332 MHz，fL=3.286 MHz，由式(1)可得：

当n=2时，fs范围：5.332 MHz≤fs≤6.572 MHz，因此在工程实际中，与GP2015配套的基带芯片GP2021(GP4020)提供的采样时钟频率为5.714 MHz，欠采样得到1.405 MHz的数字中频信号。

PCI9820 采集卡的内部时钟基准为60 MHz，可在软件中设定对其进行整数比率的分频，即fs=60/n，n为整数，我们取n=10，得到采样频率fs=6 MHz，按此频率对GPS中频信号采样得到1.691 MHz的数字中频信号。实验中还采用低通采样频率fs=12 MHz进行对比实验。

4.2 PCI9820双缓冲数据采集模式

在DOS 环境下，一次DMA或中断方式采集数据通常不能超过640 kB。在Windows环境下，一次DMA的数据量依赖于板卡的PCI控制芯片的寻址范围和系统物理内存大小，虽然可能很大但仍无法实现较长时间实时数据采集功能，而PCI9820提供的双缓冲模式可以解决这一问题。

双缓冲一个是循环缓冲，一个是用户缓冲。循环缓冲又分成两个部分。采集的数据先写入循环缓冲区，当半满时，循环缓冲区的前半部分写入到用户缓冲区中。采集的数据继续向循环缓冲区的后半部分写入。当循环缓冲区全写满时，循环缓冲区的后半部分数据再写入用户缓冲区中，此时，采集的数据会继续写入循环缓冲区的前半部分。如此反复，每半满一次，循环缓冲区的前或后半部分就会被写到用户缓冲区中去，从而达到连续高速采集的功能。值得注意的是，双缓冲方式涉及到内存的频繁读写，因此当采样速率很高或是系统任务很繁忙的时候，可能会出现数据丢失现象。具体程序设计可参考例程和文献[3，4]。

4.3 采样信号分析

按照前面介绍的采样频率方案以及PCI9820的双缓冲数据采集模式，我们对GP2015的中频信号进行采集，数据存在计算机硬盘上，在Matlab软件平台下对这些数据进行时频分析，并进行捕获跟踪处理。

结果表明当采样频率为6 MHz和12 MHz时，数据连续可靠，为后续软件基带处理提供了真实可靠的数据。图3，图4分别为采样频率为6 MHz和12 MHz的信号频谱图，图5为以6 MHz进行采样的数据进行相关捕获运算，得到的9号卫星捕获结果图，表明数据完好可用。

5 结语

利用PCI9820高性能数据采集卡和GP2015射频模块构建的GPS数据采集系统，利用该系统实现了对GPS信号长时间连续采集，并对数据进行了分析处理，结果表明数据连续完好，可用于后续基带处理，实现了软件GPS接收机，也为其他带通信号的采集处理提供了参考。