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第二章 基于软件无线电技术的GPS接收机研究
第一节 基于软件无线电技术的系统设计构架
软件无线电的体系结构是实现软件无线电这一概念的具体设计结构，包括硬件、软件和接口协议等部分。
开发调试环境应用层硬件系统接口协议硬件驱动层信道复用层用户/系统模块软件部分图2.1 基于软件无线电系统的体系结构
理想的软件无线电接收机的硬件应包括宽带射频信号接受部分、高速采样部分（A/D），中央协调控制部分和总线接口部分。由数据总线和控制总线将各部连接在一起，为硬件设备驱动层上的软件提供物理支持。当系统处于接受状态时，无线电信号通过天线耦合到宽带射频接收部分，通过下变频采样，转化为中频数字信号通过数据总线传输到接口主机中。
软件部分应包括硬件驱动层、信道复用层、开发调试环境层、用户/系统模块层和应用层组成。硬件驱动层主要实现了对硬件资源的调用，为上层软件提供了良好的硬件操作接口；信道复用层主要实现了多路信号复用的通信功能；开发调试环境层工作在用户主机上，为用户提供了易用开放的软件开发平台；用户/系统模块层主要包括了用于系统开发的底层模块，通过调用这些模块可以实现大部分通信功能；应用层则是以开发好的各种软件无线电应用，可以脱离开发调试环境单独使用[5]。
接口协议部分主要由数据帧格式定义和通信过程操作时序组成。该协议要能过表达硬件平台应用的各种功能和设备驱动层的各种请求，并具备可扩展性。
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第二节 软件无线电设计的关键技术分析
一、射频转换（RF到IF）
目前A/D 转换器的速率不高，很难实现在射频（RF）及较高的中频直接进行A/D转换，所以在接收机前端处理中，通常要先进行下变频（Down-conversion）。RF变换模块需要完成的任务包括：功率放大、接收预防大和RF信号与IF信号之间的变换。它的设计目的是使下一步中的A/D发挥最优性能。一个窄带超外差式接收机的射频部分与宽带软件无线电的射频部分相比有相似之处，但并不相同。宽带的软件无线电的射频部分要求：在滤波器的滚降特性的锐利程度受到损害的情况下，强调仍然能提供线性的功率放大。
二、中频AD/DA
A/D变换器要求有较高的采样速率和分辨率，以便在恢复时降低失真。除此之外，还要求有较大的线性动态范围，以减少互调失真，使接收的弱信号仍能在强的干扰信号中检测出来。它在移动通信中有远近效应时尤为重要。随频率和带宽的增加，采样速率和动态范围也将增大。
此外，信噪比、无寄生动态范围、噪声功率也是选择A/D转换器时的重要技术指标。信噪比（SNR）是度量一个信号的传输质量，与转换器的分辨率直接相关。无寄生动态范围（SFDR），是度量变换器中的非线性误差源，用来评估强信号下A/D变换器同步检测弱信号的能力。噪声功率比（CNR），定义为陷波滤波器带内噪声功率谱密度之比，可提供与如何限制信道间互干扰的信息。
三、数字信号处理模块
在数字信号处理模块的实现方式上，主流趋势为DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）、FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）和ASIC（Application Specific Integrated Circuits，专用集成电路）。可以简单理解为,DSP以软件方式,FPGA和ASIC以硬件方式实现数字信号处理算法。由于DSP和FPGA均具备可编程能力,它们比较适合软件无线电的需要。
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基于DSP的软件无线电系统通过软件编程实现了用户参数和波形的改变，他的特点是通用性、灵活性好，开发容易。基于FPGA的系统由于FPGA具有在线编程，动态改变器件逻辑功能的特性，实现物理器件的分时复用，因而有着比DSP更好的灵活性和更低的成本。ASIC则是实现了纯粹的数字无线电系统。
为了更好的体现软件无线电通用、灵活、开放的特点，基于通用处理器的软件无线电系统也随之产生，这正是源于通用CPU的设计在可编程型、通用行、开放性上的巨大优势，是它成为了最接近理想软件无线电的平台，这也是软件无线电在实现方式上的发展趋势。
四、算法软件实现
软件无线电的本质是用软件定义无线通信。通过软件，系统实现了从信号解调、滤波、捕获跟踪等一系列原先要通过复杂硬件才能完成的基本软件无线点功能。次外，还应针对不同的软件无线点的设计需求，在局部进行软件优化处理。软件算法的实现直接决定了系统的功能与性能。
第三节 GPS软件接收机的设计原理
GPS信号接收机是GPS全球导航定位系统的用户设备，是实现导航定位的终端仪器。
传统的GPS接收机的虽然种类繁多，但在结构上通常可分为射频前端（RF Front-end）、信号处理单元（Signal Processing）和导航处理（Navigation Processing）三部分。
在前端中，接收机通过天线耦合接受GPS信号，经过预放大（Pre-amp）、下变频（Down-conversion）和滤波（Filter）后生成中频信号（IF），对后通过A/D转换器采样，将模拟信号转换为数字信号（Digital IF）传输到信号处理单元中。
信号处理单元将已经接受到的中频数字信号进行捕获跟踪处理，并对导航信息解调，以得到定位伪距（Pseudorange）、载波相位及星历数据（Ephemeris）。
最后在导航处理单元中，计算出用户的经纬度坐标、行进速度等信息，实现用户的导航定位。
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射频前端预放大下变频Digital IF滤波A/D信号捕获信号跟踪信号处理单元导航信息解调导航处理单元图2.3.1 GPS接受机结构图
GPS软件接收机是在软件无线电（SDR）思想知道下实现的。它继承了软件无线点的设计特点，即使A/D转换器尽可能的靠近天线，其它部分实现软件化，所以GPS软件接收机与传统接受机相比，保留了射频前端，由软件构架对中频数字信号进行捕获和跟踪。一旦完成了跟踪，通过子帧同步和奇偶校验，就可以将输出的信号转换成导航数据。从子帧中可以得到星历数据。根据星历数据可以确定当前卫星的位置。接受机到卫星之间的伪距也可以确定。只要获得了所有必需的信息，就可以计算出用户的位置，并将其转化为所需的坐标系统中[6]。
GPS软件接收机结构如下：
捕获中频数字信号跟踪环奇偶校验子帧同步测量推倒导航处理内部时钟图2.3.2 GPS软件接收机结构
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第四节 软件接收机中频数据处理的核心算法
一、C/A码信号捕获
为了跟踪GPS信号并进行信息解码，就必须先用捕获程序来检测信号的存在。一旦检测到信号，必须测出两个重要参数，一个是C/A码信号的延时，另一个是载波信号的载波频率。采集的数据通常包括几个卫星的信号，每个信号的C/A码不同，开始时间不同，多普勒频移不同。捕获程序要找到C/A码相位，并用这个信息对频谱接扩，输出连续波信号，就可以得到它的载波频率。C/A码信号延时和载波频率两个参数将传递到跟踪程序中。
图2.4.1 GPS信号捕获
相关器I(同相)、Q(正交)通道第k次相关输出分别为：
1I(k)?AD(k)R[?(k)]sinc{[?wd(k)]N/2}cos?k?nI(k)
21Q(k)?AD(k)R[?(k)]sinc{[?wd(k)]N/2}sin?k?nQ(k)
2其中A为信号幅度，D(k)为导航电文,?(k)为码相位估计偏差，?wd(k)为多普勒频移估计偏差，R[?(k)]为复制码自相关函数，N为积分码片长度，?k为载波相位，nI(k)、nQ(k)为噪声项。
1S2(k)?I2(k)?Q2(k)?A2D2(k)R2[?(k)]sinc2{[?wd(k)]N/2}
4因此当本地产生的载波频率和复制码相位与检测信号完全匹配时，相关器的最终输出为最大值。
由于码相位与多普勒频移的不确定性，为了获得相关峰值，以判定信号捕获与否，需要对码相位和多普勒频率进行二维搜索，若码相位搜索步长为?个码
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