Открытый проект аппаратной части программного навигационного приемника

27 сентября, 2010

В последние 20 лет получило серьезное развитие технология software defined radio (SDR). Основная идея данной технологии состоит в замене аппаратных устройств радиоприемника/радиопередатчика на их программные аналоги (переход от устройств, реализующих фильтры, смесители, модуляторы/демодуляторы, детекторы к программным реализациям на сигнальных процессорах/ПЛИС/микроконтроллерах). Основные плюсы данной технологии: упрощение реализации, повышение повторяемости параметров устройств, появление новых возможностей по обработке сигналов. Не обошла стороной технология SDR и приемники глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Ниже приводится описание устройства (front-end), записывающего сигналы ГНСС для их последующей обработки на персональном компьютере с применение технологии SDR...
Предлагаемый front-end выполняет следующие функции:
1. Принимает сигналы от ГНСС GPS (в диапазное L1), усиливает их, фильтрует, оцифровывает и передает на персональный компьютер по интерфейсу USB 2.0;
2. Выдает сигнал опорного генератора внешнему потребителю (при необходимости);
3. Принимает тактовый опорный сигнал от внешнего источника (при необходимости), либо работает с встроенным кварцевым генератором (TCXO);
4. Принимает команды управления режимом работы от персонального компьютера по интерфейсу USB 2.0.

Рассмотрим подробнее каждый пункт:

1. Для реализации аналогового тракта приема сигналов ГНСС GPS используется микросхема (м/с) MAX2769, выпускаемая компанией maxim. Данная микросхема выполняет функции приемника прямого преобразования. Достоинства микросхемы — малое количество внешних элементов. Для построения типового аналогового тракта на данной микросхеме требуется всего лишь один внешний ПАВ фильтр. Недостаток данной микросхемы связан с её достоинством: так как это приемник прямого преобразования, то подавление зеркального канала составляет только 25 дБ (чего вполне достаточно для решаемой задачи).

Для реализации интерфейса USB использвется м/с USB-моста CY7C68013A, производимая компанией cypress. В состав данной м/с, кроме собственно USB-моста, входит микроконтроллер с 51 ядром. Данный контроллер выполняет функции управления USB-мостом. Кроме того, в данном проекте, данный микроконтроллер используется для управления м/с MAX2769 (для задания режима работы указанной м/с).

2. В качестве опорного генератора используется термокомпенсированный кварцевый генератор (TCXO) NT3225SA фирмы NDK. Данный кварц генерирует стабильный сигнал с частотой 16 МГц и стабильностью ±2,5 ppm. Сигнал с термокомпенсированного кварцевого генератора поступает на буферный усилитель, выполненный на операционном усилителе (ОУ) AD8063 фирмы analog devices. После операционного усилителя сигнал идет на два потребителя: м/с MAX2769 и выходной ОУ опорного сигнала AD8063. Со второго ОУ AD8063 сигнал поступает на выходной разъём.

3. Дополнительно предусмотрена возможность работы с сигналом от внешнего опорного генератора. Для выбора режима работы: от встроенного генератора или от внешнего генератора, требуется подать на соответствующий контакт сигнал высокого, либо низкого уровня. Кроме того, при частоте внешнего опорного генератора отличной от частоты встроенного TCXO потребуется изменить управляющую прошивку м/с CY7C68013A, задающую режим работы м/с MAX2769.

4. Предусмотрена возможность изменения режима работы м/с MAX2769. Допускается выполнять любые настройки в соответствии с описанием данной микросхемы. Режим работы определяется управляющей прошивкой м/с CY7C68013A. Соответственно для задания нового режима работы требуется изменить управляющую прошивку.

Основные отличия данного front-end'а от аналогичных изделий:

1. Предусмотрена возможность использования внешнего генератора опорного сигнала. Данная опция может быть полезна при работе с программными приемниками. Например, для оценки влияния нестабильности опорного генератора на блоки слежения за фазой и задержкой.

2. Предусмотрен выход сигнала опорного генератора. Данная опция может быть использована, например, для подключения внешнего преобразователя частоты, что позволит работать с сигналами в диапазоне L2.

3. Предусмотрена возможность задания произвольного режима работы м/с MAX2769. Данная опция необходима для реализации работы от внешнего опорного генератора с произвольной частотой в диапазоне от 8 до 44 МГц. Дополнительно данная опция позволяет выбрать оптимальный режим работы для каждого возможного применения (работа только с I каналом или с I и Q каналами).

Структурная схема front-end'а.
На рисунке 1 представлена структурная схема front-end'а.
20100927-devstruct2.gif

Рассмотрим более детально структурную схему. На вход активной антенны поступают сигналы со спутников GPS. С активной антенны сигналы подаются на м/с MAX2769. В м/с MAX2769 происходит усиление, фильтрация и аналогово-цифровое преобразование принятых сигналов.
На выходе АЦП, в зависимости от режима работы, доступны отсчеты 1, 2 или 3 бита I канала или же 1 или 2 бита I и Q каналов.
Отсчеты с АЦП поступают на программируемую интегральную логическую схему (ПЛИС) XC9572XL фирмы Xilinx, которая выполняет функцию сдвигового регистра для этих отсчетов. На выходе сдвигового регистра образуются 16 бит данных, что составляет от 4 до 16 отсчетов АЦП, которые поступают на м/с USB-моста. Также ПЛИС выполняет деление тактовой частоты АЦП в 4..16 раз. Эти действия необходимы для того, чтобы обеспечить требуемый режим работы USB-моста.
Сигнал опорной тактовой частоты может поступать либо от встоенного в плату TCXO, либо от внешнего опорного генератора. Выбор нужного источника сигнала опорной тактовой частоты осуществляется подачей сигналов enable на операционные усилители. Эти сигналы поступают от ПЛИС. Пользователь выбирает нужный источник, путем подачи высокого или низкого уровня сигнала на соответствующий вход ПЛИС (путем замыкания входа ПЛИС на землю или на источник питания). На структурной схеме управляющие сигналы опущены для повышения наглядности.
Выбранный опорный сигнал поступает на м/с MAX2769 и на выходной ОУ. С выходного ОУ сигнал поступает на внешний разъём.
Измначально м/с MAX2769 настроена на работу с сигналом от TCXO частотой 16 МГц. При выборе другой опорной частоты требуется изменить прошивку CY7C68013A, которая задает режим работы MAX2769.

Области применения

Существует несколько потенциальных областей применения данного front-end'а:

1. Реализация программного приемника. В ближайших планах адаптация open source проекта программного приемника gps-sdr под разработанный front-end. Ознакомиться с данным проектом можно по адресу в интернете www.gps-sdr.com;

2. Отработка моделей типовых узлов навигационного приемника. Например, блоков поиска сигнала. Отрабатывать алгоритмы работы навигационного приемника проще на персональном компьютере в среде математического моделирования SciLab или MatLab или любой другой, чем в аппаратном приемнике;
3. В связи с постоянным развитием ГНСС, появляются новые сигналы в новых частотных диапазонах. Данный front-end предусматривает возможность подключения внешнего преобразователя частоты, который потенциально может позволить работать с новыми сигналами в новых частотных диапазонах.

Таким образом данный front-end является гибким инструментом, предназначенным как для изучения работы действующих ГНСС, так и для отладки алгоритмов работы с новыми сигналами ГНСС.

Комментарии

Нет комментариев. Вы можете быть первым!

Оставить комментарий