هیاپ دناب gps -...

99، تابستان 94فصلنامه علوم و فناوری دریا شماره

1

یهباند پا GPS هاییرندهدر گ یرگهبلوک ر افزاریسخت سازیینهو به سازییادهپ

آن یو آزمون تحمل خراب FPGAبر یمبتن

2رمضانیعلیرضا و 1*یمحمدرضا موسو یدس

[email protected]

ایران و صنعتاستاد دانشکده مهندسی برق، دانشگاه علم -1

ایران و صنعتکارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه علم یدانشجو -2

چكیده

یگنالتوان س یدآن که باعث کاهش شد یبر رو یزیکیعوامل ف یگذار یرو تاث یارسال یگنال، با توجه به ساختار سGPS هاییرندهدر گ

یریبلوک ردگ یببه ترت یی. دو بلوک ابتداشودیماهواره، استفاده م هایداده یابیاستخراج و باز یبرا یمختلف هایاز بلوک گردد،یم یافتیدر

عمل دنبال کردن یریگو بلوک ره کندیزدن ساده فرکانس داپلر و فاز کد عمل م ینبه منظور تخم یرینام دارند. بلوک ردگ گیریرهو بلوک

یافتیدر یگنالس یبلوک بر رو ینا DLLو PLL یها. قفل ماندن حلقهدهدیرا انجام م یناوبر یهااستخراج داده یماهواره برا یگنالس

و فرکانس شوندیها باز مکه حلقه ییهادر حالت ،رو ینست. از اا یحرکت شتابدار و ... امر مهم یف،ضع یگنالس ونهمچ یسخت یطدر شرا

ینبلوک، مدت زمان بسته شدن دوباره ا ینشده در ا یهو امکانات تعب هایتبسته به قابل کنند،یرا گم م یافتیدر یگنالداپلر و فاز کد س

یمبتن یریگهبلوک ر افزاریشده سخت ینهبه یسازیادهبه پ ،مقاله ین. در اآیدیبلوک به حساب م ینا یه برایژو یازاتاز امت یکی ها،حلقه

بلوک و دنبال کردن ینموجود در ا یها، سرعت بسته شدن حلقهیافزارسخت یسازیادهو با پ یو به صورت عمل پرداخته شده FPGAبر

.نماییمیم یابیرا ارز یگنالس

.کد C/Aکالمن، فاز حامل، فاز کد، فرکانس داپلر، یلتر، فGPS ،FPGA: واژگان کلیدی

22/09/98 مقاله :تاریخ دریافت

14/02/99 :مقاله پذیرشتاریخ

mailto:[email protected]

99، تابستان 94اره فصلنامه علوم و فناوری دریا شم

2

مقدمه -1

ستم ناوبری در گیرنده سی ستخراج داده GPSهای های ، ا

و حل 2گیریره ،1ماهواره توسطططط سطططه قسطططمت ردگیری

شططود و دلیل عمده آن سططاختار معادلات ناوبری انجام می

ارسططال 3CDMAسططیگنال ارسططالی اسططت که به صططورت

یل فاصطططله زیاد ماهواره .[1]شطططود می ها تا زمین، به دل

ای که توان سیگنال دریافتی به شدت ضعیف شده به گونه

،4GPSهای سططیگنال از توان نویز هم کمتر اسططت. گیرنده

ما از دو بلوک ردگیری و بلوک ره به صطططورت عمو گیری

شته سیگنال آغ سیگنال واقعی از سازی جداگانه برای جدا

ستفاده می ضای به نویز، ا کنند. بلوک ردگیری با توجه به ف

ست شروع فاز ج شده )از نظر فرکانس داپلر و جوی ایجاد

با تقریب 5C/Aکد هرتزی، محدوده فرکانس 500های (

را از روی سیگنال C/Aبا خطای یک چیپ، فاز کد داپلر و

ستخراج می ستفاده از این نماید. بلوک رهدریافتی، ا گیر، با ا

قه پارامتر، حل تدا 7DLLو 6PLLهای دو خود را در اب

گیری خطای میان این دو تغذیه کرده و سطططبس با اندازه

پارامتر با پارامترهای نظیرشطططان در سطططیگنال دریافتی، به

ها می بر روی سططیگنال قفل شططده و به اسططتخراج داده آرا

های مختلفی برای شطططرایط پردازد. بدین منظور، روش می

ضعیف، حرکت گوناگونی از نظر ره سیگنال گیری در زمان

ست شده ا سیگنال ماهواره و ... ارائه شدن شتابدار، قطع

گیر، کمکی در بلوک ره FLLترین آنها اسططتفاده از که مهم

ستفاد صحیح فاز ه از فیلتر کالمنا سعه یافته برای ت های تو

-2]های برداری اشططاره نمود گیریکد و فرکانس داپلر و ره

5] .

-طراحی و ساخته می SDR8هایی که به صورت گیرنده

های مند و سریع، حافظهشوند، به هسته پردازشی قدرت

افزاری مناسب به منظور ردگیری و های نرمبزرگ، سیاست

های سریع گیری ماهواره و همچنین به الگوریتمره

ای که در محاسباتی نیازمند خواهند بود. در عوض گیرنده

های گیری با استفاده از گیتهای ردگیری و رهقسمت

-افزاری سادهدیجیتالی ساخته شود، به مراتب از سیستم نرم

تر، سرعت بیشتر و از امکانات بلادرنگ بودن نیز برخوردار

ساخت ، برای اولین بار بود. از این رو، در این تحقیق خواهد

1 Acquisition

2 Tracking

3 Code Division Multiple Access

4 Global Positioning System

باند پایه با GPSافزاری یک گیرنده سازی سختپیادهو

و پس فیتعر ستم،یس نیعلوم استخراج شده از ااستفاده از

Embedded ستمیس کیبه صورت یاریبس یهااز تلاش

مورد آزمون و سازیادهیپ FPGAبر یمبتن یهابرد یبر رو

قرار گرفت.

ماهواره از مت ردگیری له، برای قسططط قا در طراحی این م

استفاده PLهای موجود در قسمت برنامه پذیر سخت افزار

سبت سرعت ردگیری ماهواره را تا چند هزار برابر ن شد تا

مت که قسططط جا هد. از آن به ردگیری نرم افزاری بهبود د

ان ردگیری به صورت سخت افزار طراحی و ساخته شد، امک

های تلفیق چند نوع سططامانه و اسططتفاده ترکیبی از فرکانس

را فراهم نموده است. GPSمختلف سامانه

های خطوط لوله گیری نیز با اسطططتفاده از حلقهقسطططمت ره

ماهواره به صورت موازی ایجاد شده است 12برای ردگیری

ماهواره پردازش شططود و 12تا در هر لحظه بتوان سططیگنال

سیار افزایش این کار نیز سرعت تعیین موقیت گیرنده را ب

خواهد داد.

سازماندهی می ، گردد. در بخش دوماین مقاله به شرح زیر

شود. در بخش گیری بیان میسازی بلوک ره چگونگی پیاده

گیر هططای مختلف تحمططل خرابی رهسطططوم، نتططایو آزمون

گیری سططازی شططده تشططریح و در بخش چهارم نتیجه پیاده

آمده است.

گیریمفهوم بلوک ره -2

ط توس یبیپس از آنکه فاز کد و فرکانس داپلر به صورت تقر

است که با یگیربلوک ره نیبدست آمد، ا یریبلوک ردگ

قفل لگنایس یبر رو ق،ینادق هیدو پارامتر اول نیاستفاده از ا

وفاز کد قیرا در هر لحظه به مقدار دق ریمقاد نیشده و ا

.دینمامی کیفرکانس داپلر نزد

ابتدا در یورود گنالیس داست،ی( پ1که در شکل ) همانطور

یاصل گنالیحامل هم فرکانس و هم فاز، با حامل س کی

شوند. در ادامه، ادهیحامل پ یضرب شده تا اطلاعات از رو

تا اطلاعات شودیضرب م زیهم فاز ن PRNدر کد یخروج

گردند. ادهیکد پخش شده بودند از کد پ یماهواره که رو

را شامل دو عمل یگیربخش ره یبه طور کل توانیم سپ

5 Coarse/Acquisition

6 Phase-Locked Loop

7 Dynamic Link Library

8 Software Defined Radio


3

ایحامل با فرکانس و فاز مناسب دیتول یکیدر نظر گرفت:

ایکد با فاز منطبق دیتول یگریحامل و د یگیرهمان ره

.باشدیکد م یگیرره

( شماتیک ساده آشكارسازی سیگنال دریافتی از 1شكل )

ها.ماهواره

آشكارسازی سیگنال -2-1

ید مل fL2 و fL1 فرض کن حا ند فرکانس با 2L و 1Lهای

متناظر با کد 𝑃𝐿2 و 𝑃𝑐 ، 𝑃𝐿1ام با توان Kباشطططند. ماهواره

C/A و کدP کند. کد مربوط به خود، سططیگنال ارسططال می

C/A ماهواره را برابر کد 𝐶𝑘(𝑡) این آن را برابر P(Y)و

𝑃𝑘(𝑡)صورت گیریمدر نظر می . اگر اطلاعات ناوبری را به

𝐷𝑘(𝑡) سالی ماهواه سیگنال ار ام kنمایش دهیم، آن گاه

برابر است با:

(1) Sk(t)

= √2Pc Ck(t) Dk(t) cos(2πfL1 t)

+ √2PL1 Pk(t) Dk(t) sin(2πfL1 t)

+ √2PL2 Pk(t) Dk(t) sin(2πfL2 t) جام عمل ند میانی ای با ان با به و عبور از ت کاهش فرکانس

برابر است با: یخروج لتر،یف

(2) Sk(t)

= √2Pc Ck(t) Dk(t) cos(ωIFt)

+ √2PL1 Pk(t) Dk(t) sin(ωIFt) سرجلویی همان فرکانس میانی است که𝜔𝐼𝐹، که در اینجا

را به این فرکانس آورده است. لازم به RFسیگنال گیرنده،

ست که رابطه ) سیگنال یک ماهواره 2ذکر ا ( فقط به ازای

، سططیگنال از یک فیلتر میان A/Dاسططت. در ادامه پس از

حذف Pگذر باریک عبور کرده و قسطططمت مربوط به کد

شود. در نتیجه آخرین جمله رابطه بالا حذف و یک نویز می

e(n) نماییم. بنابراین سیگنال ماهواره یرا جایگزین آن مk

برابر است با: سرجلویی گیرندهام بعد از خروج از

(3) Sk(n) = Ck(n) Dk(n) cos(ωIFn) + e(n)

اسططت و بیانگر Sسططیگنال fs/1واحدی برابر nکه در آن،

باشد.گسسته بودن سیگنال می

سیگنال به اکنون برای بدست آوردن اطلاعات ناوبری باید

باند پایه برود. برای این کار یک رو نوشت از حامل سیگنال

شود. اگر این رو نوشت دقیقا شبیه را در خودش ضرب می

خود حامل از نظر فرکانس و فاز باشد، داریم:

(4) Sk(n) cos(ωIFn)= Ck(n) Dk(n) cos(ωIFn) cos(ωIFn)

=1

2 Ck(n) Dk(n)

+1

2 Ck(n) Dk(n) cos(2ωIFn)

که با یک فیلتر پایین گذر، قسطططمت دوم را فیلتر کرده و

خواهیم داشت:

(5) 𝐶𝑘(𝑛) 𝐷𝑘(𝑛)

است که این کار به وسیله 𝐶𝑘(𝑛) مرحله بعد، حذف کردن

شود. انجام می𝐶𝑘(𝑛) همبستگی گرفتن با نسخه رونوشت

اگر دقیقا این نسخه یکسان باشد، داریم:

(6) ∑ 𝐶𝑘(𝑛)

𝑁−1

𝑛=0

𝐶𝑘(𝑛) 𝐷𝑘(𝑛) = 𝑁 𝐷𝑘(𝑛)

ست آمده، همان اطلاعات ناوبر ست که در یکه جمله بد ا

ها ضرب شده است. تعداد نمونه یعنی N بیضر

پردازش یشطططد، چگونگ یکه تا کنون بررسططط یروابط در

.میداد شیماهواره را نما کیفقط یبه ازا یافتیدر گنالیس

تمام گنال یمخلوط سططط یافتی در گنال یسططط یدر حالت کل

. باشطططدیم زین یشطططتریب یهازینو یهاسطططت و داراماهواره

سبات ا س نیمحا ست 6در ] گنالینوع صل آمده ا . در [ مف

C/Aرو نوشطططت حامل و یها که نسطططخه نیا یبرا ،عمل

ازیباشططند، ن مخواهییمطابق آن چه ما م قایشططده دق دیتول

حامل قیو تطب میتنظ یبرا یکی. میدار دبکیبه دو حلقه ف

ساختار ا C/Aکد میتنظ یبرا یگریو د دو نی. در ادامه به

هر یساز ادهیپ ی. لازم به ذکر است که برا میپردازیحلقه م

قه ره مل، م یگیردو حل حا فاز توانیفاز و قل قه ف از حل

ستفاده کرد. ا شامل ف نیمرتبه دو ا مرتبه اول و لتریحلقه

نوسانگر کنترل با ولتاژ است. کی

گیری حامل ره -2-2

یافتیدر گنالیرا از س یاطلاعات ناوبر میکه بتوان نیا یبرا

شت محل کی دیبا م،ییجدا نما شب یرو نو هیاز حامل کاملا

شده، تول یافتیدر گنالیس یآن چه بر رو . میینما دیسوار

.شودیکار معمولا از حلقه قفل فاز استفاده م نیا یبرا

ست. کیساده اگرامی(، د2شکل ) در حلقه قفل فاز آمده ا

ست آوردن اطلاعات ناوبر یشکل برا نیدر ا گنالیس یبد

کد مل و حا نده، ادهی را پ PRNتوسطططط دو ضطططرب کن

.میینمایم


4

.GPSگیری گیرنده ( نمای ساده از حلقه ره2شكل )

شده دیفاز تول یکردن خطا دایپ یحلقه برا لیاز تابع تبد

اسططتفاده یمحل دگریو حامل تول گنالیسطط یحامل رو نیب

عبور کرده و لتریبلوک از ف نیا ی. سططبس خروجممایینیم

NCOهمان ای یبه نوسطططانگر محل دبک ی ف کی به عنوان

یافتیبا توجه به عدد در NCO جهی. در نتشططودیمتصططل م

مشابه حامل یانسخه تواندیشده و م میتنظ قیبه طور دق

در ساختار یکند. مشکل اصل دیرا تول گنالیسوار شده بر س

یادرجه 180فاز رییبه تغ اریآن اسططت که بسطط PLL نیا

تیهر ب یکه به ازا GPS ی گیرندهحسططاا اسططت و ما برا

ناوبر جه ا 180 رییتغ کی یاطلاعات به ازی ن م،یدار یدر

. به شود یموضوع احساا م نیحساا به ا ریغ یحلقه کی

1کاسطططتاا حلقه کی ( 3منظور، مطابق شطططکل ) نیهم

اسططت که بر خلاف نیحلقه ا نیا یاصططل یژگی. ومیسططازیم

[.1] ستیدرجه حساا ن 180فاز رییحالت قبل به تغ

.[1]گیری موج حامل ( حلقه کاستاس برای ره3شكل )

( قابل 3همان طور که در شططکل ) ،یاز نظر سططاختار درون

است که نیا یحلقه با حالت قبل نیتفاوت امشاهده است،

یورود گنالیدر سطط زیرا ن یدرجه حامل محل 90 فتیشطط

یهاحذف مولفه ی)برا لتریضططرب کرده و پس از عبور از ف

ی. هدف اصطططلکند یحلقه م لی وارد تابع تبد ،فرکانس بالا(

ست که تمام انرژ آنحلقه شاخه ِبر فاز گنالیس یا را در

1 Costas Loop

میدار ینوسانگر محل دبلکیبه ف ازیکار ن نیا یبرا .نگه دارد

مل خود را طور حا فاز که میتنظ یتا ند مام انرژ ک یت

.ردیشده از حامل در شاخه بر فاز قرار گ ادهیپ گنالیس

یافتیدر گنالیبا س قیبه طور دق PRNفرض آن که کد با

شاخه یمنطبق شده باشد، حاصل خروج ضرب کننده در

:دیآی( در م7ابطه )به صورت رام Iفاز

(7) 𝑫𝒌(𝒏) 𝐜𝐨𝐬(𝝎𝑰𝑭𝒏) 𝐜𝐨𝐬(𝝎𝑰𝑭𝒏 + 𝝋) = 𝟏

𝟐 𝑫𝒌(𝒏) 𝐜𝐨𝐬(𝝋)

+𝟏

𝟐 𝑫𝒌(𝒏) 𝐜𝐨𝐬(𝟐𝝎𝑰𝑭𝒏 + 𝝋)

بیانگر اختلاف بین حامل سططیگنال ورودی و 𝜑که در آن،

شاخه شابه در ست. به طور م شده ا Qحامل محلی تولید

نیز داریم:

(8) 𝑫𝒌(𝒏) 𝐜𝐨𝐬(𝝎𝑰𝑭𝒏) 𝐬𝐢𝐧(𝝎𝑰𝑭𝒏 + 𝝋)

=𝟏

𝟐 𝑫𝒌(𝒏) 𝐬𝐢𝐧(𝝋)

+𝟏

𝟐 𝑫𝒌(𝒏) 𝐬𝐢𝐧(𝟐𝝎𝑰𝑭𝒏 + 𝝋)

س نیبعد از عبور اسبس گذر نییپا یهالتریاز ف گنالیدو

:. داریمدیآیمتناظرشان بدست م

(9) 𝑰𝒌 =𝟏

𝟐 𝑫𝒌(𝒏) 𝐜𝐨𝐬(𝝋)

𝑸𝒌 =𝟏

𝟐 𝑫𝒌(𝒏) 𝐬𝐢𝐧(𝝋)

برای آن که بتوانیم یک عدد به عنوان خطا به نوسطططانگر

طه ) یدبک دهیم، از راب قدار 10محلی ف بدسطططت 𝜑( م را

آوریم:می

(10) 𝑸𝒌

𝑰𝒌=

𝟏𝟐

𝑫𝒌(𝒏) 𝐬𝐢𝐧(𝝋)

𝟏𝟐

𝑫𝒌(𝒏) 𝐜𝐨𝐬(𝝋)= 𝐭𝐚𝐧 (𝝋)

ست ی( پ10همان طور که از رابطه ) که یفاز، وقت یخطا دا

سته یخروج صفر و Qشاخه ساز همب سته برابر ساز همب

شد، به کمتر نهیش یب Iشاخه سد یمقدار خود م نیبا . در ر

سانگ لتری، فحلقه لیتابع تبد یخروج ،تینها ر شده وارد نو

شود. حیفاز تصح یتا خطا شودیم یمحل

طه ) یجا به طه ،(10راب به توانیم زین یگرید یها از راب

اسطططتفاده کرد. در جدول PLLدر حلقه لیعنوان تابع تبد

متداول آروده شططده اسططت. لیتبد یهااز تابع ی( تعداد1)


5

مانند مختلف به هر کدام از آنها در مراجع ریو تاث حیتوضططط

آمده است. [7]

های تصمیم گیر در ( توابع استفاده شده برای بلوک1جدول )

حلقه قفل فاز.

توضیح مبدل

𝐷 = 𝑠𝑖𝑔𝑛(𝐼𝑘)𝑄𝑘 حاصطططل بلوک تصطططمیم گیر با

sin(𝜑) .رابطه مستقیم دارد

𝐷 = 𝐼𝑘𝑄𝑘 حاصطططل بلوک تصطططمیم گیر با

sing(2𝜑) .رابطه مستقیم دارد

𝐷 = 𝑡𝑎𝑛−1(𝐼𝑘

𝑄𝑘)

حاصططططل بلوک تصطططمیم گیر

نده فاز مشطططخن کن طای ی خ

است.

گیری کدره -2-3

ست که به طور پ یگیرهدف از ره سته یکد آن ا با فاز کد و

کد یگیرحلقه ره ی. خروجمیمنطبق باش یافتیدر گنالیس

یورود گنالیفاز آن، با فاز س قایرشته کد است که دق کی

شد یمنطبق م بر عهده GPS رندهیفاز کد در گ یگیر. رهبا

( اسطططت که به آن DLL) یریحلقه قفل شطططونده تاخ کی

در یاصطططل دهی. امییگویم زیمؤخر مقدم ن یگیرره یحلقه

با سططه یورود گنالیکردن سطط یحلقه، همبسططته سططاز نیا

. همان طور که باشد ینسخه منطبق، مقدم و مؤخر از کد م

که ی( قابل مشططاهده اسططت، ابتدا حامل محل 4در شططکل )

گنالیاسططت، در سطط یافتیدر گنالیحامل سطط هیشططب قایدق

. کند یمنتقل م هی را به باند پا آنضطططرب شطططده و یورود

سه نی. اشود یدر سه نسخه از کد ضرب م یسبس خروج

و تقدم ریتاخ یدارا گرید تایمنطبق و دو یکینسططخه کد،

هایخروج ،. بعد از آنباشند یم پیچ کینصف یبه اندازه

ندازه ته شطططده و ا LIو EI ،PI یعنیها آن یانتگرال گرف

یهمبسطططتگ زانیم انگریب ریمقاد نی. اشطططودیمشطططخن م

.باشندیم یافتیدر گنالیرو نوشت کد با س یهانسخه

.[1]گیری کد ( بلوک دیاگرام ساده حلقه ره4شكل )

س شینما کی( 5شکل ) سه ریتاخ کیبا گنالیاز حالت

. در قسمت سمت چپ شکل دهدینسبت به هم را نشان م

س یورود گنالیس آن یو معنا بودههم فاز Late گنالیبا

شده به جلو دیتول C/Aفاز کد دیبا پیچ کیاست که نیا

ش س دهیک شکل، ست سمت را سمت گنالیشود و در ق

به یازین گریکه د است هم فاز Prompt گنالیبا س یورود

[.1] ستین گنالیفاز س رییتغ

ایجاد شده در C/A( اختلاف فاز سیگنال ورودی با کد 5شكل )

.[1]گیرنده

کارآمد اسططت ی( مطرح شططد، وقت4که در شططکل ) یاحلقه

هم فاز و هم فرکانس با قایشططده دق دیتول یکه حامل محل

شده رو سوار شد. اما وقت یافتیدر گنالیس یحامل در یبا

به حلقه یورود گنالیسطط ،میمورد خطا داشططته باشطط نیا

DLL و ترو قفل شطططدن حلقه سطططخت شطططودیم یزینو

به هم گرددیم تردهی چپی نده یمعمولا گ ل،ی دل نی. یها ر

GPS قه ند شطططکل ) یااز حل کد در یگیرره ی( برا6مان

.ندینمایاستفاده م

.[1]ساز شامل شش همبسته DLL( حلقه 6شكل )

باشد، یورود گنالیهم فاز با س یکه حامل محل یدر صورت

نیا ریو در غ شططودیدر شططاخه هم فاز جمع م یتمام انرژ

گنال یو حامل سططط یحامل محل نیب یوقت یعنیصطططورت،

Iشاخه نیب یاختلاف فاز وجود داشته باشد، انرژ یافتیدر

((.7[ )مطابق شکل )1] شودیتبادل م Qو


6

)به Qو Iهای ساز در شاخه( خروجی شش همبسته7شكل )

.[1]هرتز( 20ازای خطای تطبیق فرکانس به اندازه

سازشش عدد همبسته ی( خروج8در شکل ) گرید یاز طرف

و کامل قفل شططده باشططد، یبه درسططت PLLکه حلقه وقتی

حالت تمام نیکه در ا شود یقابل مشاهده است. مشاهده م

قرار دارد. Iدر تمام طول زمان، در شاخه ،یانرژ

Qو Iهای ساز در شاخه( خروجی شش همبسته8شكل )

.[1])حامل محلی کاملا منطبق با حامل سیگنال دریافتی است(

PLLرا از رفتار حلقه DLLآنکه کارآمد بودن حلقه یبرا

هر یفاز کد، از خروج یگیربه منظور ره م،ییمسطططتقل نما

. شودیهمزمان استفاده م Qو I یدو شاخه

. در میینما لی حلقه را تکم دبک ی مدار ف مخواهییم اکنون

شططده فاز منطبق با دیتول یمحل PRNکه رشططته یصططورت

فاز ییبه جابه جا ازینداشططته باشططد و ن یافتیدر گنالیسطط

فاز را بر قرار ییجابجا نیا دبک ی حلقه ف کی دی باشطططد، با

ما جدول ) دی ن عداد 2. در تابع ی( ت بد یها از معمول لی ت

آورده شده است. DLL دبکیحلقه ف یبرا

و دو تابع همدوا نوع یبرا لی تابع تبد کی ( 2در جدول )

که چه نیآورده شططده اسططت. ا ناهمدوا نوع یبرا لیتبد

اسطططتفاده دی با DLLفاز در یگیرره یبرا یلینوع تابع تبد

حیدارد. توض یبستگ زیبه کاربرد مورد نظر و مقدار نو ،شود

. ست[ آمده ا10-7ها در ]هر کدام از تابع تیو خاص

ستفاده DLLحلقه ی( برا11از تابع )مقاله، نیدر ا شده ا

کد یکد مقدم منها یخروج یشطططده زهیکه نرمال اسطططت

موخر است:

(11) (𝑰𝑬𝟐 + 𝑸𝑬

𝟐) − (𝑰𝑳𝟐 + 𝑸𝑳

𝟐)

(𝑰𝑬𝟐 + 𝑸𝑬

𝟐) + (𝑰𝑳𝟐 + 𝑸𝑳

𝟐)

اسطططتفاده از دلیل تابع آن اسطططت که به نیا یژهیو تی مز

عمل PLLمسطططتقل از کارآمد بودن ، Qو I یها شطططاخه

ند. همچن یم به ازا نیکه بتوان از ا نیا یبرا نیک یتابع

SNRشطططده زهیتابع نرمال نیا ،مختلف اسطططتفاده کرد یها

است.

مهم حلقه یهااز پارامتر زیکد مقدم و موخر ن نیب فاصططله

آن را به مقاله، مقدار نیکه در ا دی آیبه شطططمار م یگیرره

ندازه خاب کرده پی چ مین یا نیکه ا ی. در صطططورتمیاانت

یول ،شططودیکد کمتر م قیگردد، دقت تطب شططتریفاصططله ب

ی هارندهی. در گدگردمی ترمقاوم زینسبت به نو DLLحلقه

موخر و مقدم را به صطططورت یهافاصطططله کد ،GPS دیجد

صورت کنندیم میتنظ کینامید س یتا در سبت گنالیکه ن

فت کرد زیبه نو به DLL ،به شطططدت ا ند نان بتوا همچ

خود ادامه دهد و حلقه از قفل خارج نشود. یگیرره

ست به سخه کد مقدم، کد دیبا تول میطور خلاصه توان سه ن

پیبه اندازه نصف چ یافاصله یموخر و کد منطبق که دارا

اسطططتفاده شطططده DLL. میفاز کد را انجام ده یگیراند، ره

ند یم ادهی پ یدر عمل به خوب یخط PLL کی با مدل توا

مناسططب قابل یهابا پارامتر زیحلقه ن لتریف یطراح .شططود

است. مجاان


7

DLLهای تبدیل برای بلوک تصمیم گیر حلقه ( تابع2جدول )

[1]. ویژگی مبدل نوع

IE همدوا − IL

ی نیاز به توان شططاخه

Q نططدارد، ولی بططایططد

حططامططل بططه خططوبططی

گیری شده باشد.ره

(IE2 + QE

2 ) − (IL2 + QL

2)

سیار سخ این تابع ب پا

تابع پاسطططخ یه شطططب

مدوا در صطططورت ه

چیططپ یم ن تلاف خ ا

است.

ناهمدوا(IE

2 + QE2 ) − (IL

2 + QL2)

(IE2 + QE

2 ) + (IL2 + QL

2)

تابع در صطططورتی این

که خطای فاز بیشتر از

نیم چیپ باشططد نیز به

نماید.خوبی عمل می

Ip(IE − IL ) + Qp(QL

− QL )

تابعی ها تابع، تن این

صل تمام ست که حا ا

شش شاخه را استفاده

کند.می

مت ره یطور کل به نده یگ یگیردر قسططط ، از GPS یها ر

دنبال کردن فرکانس حامل و فاز ی( برا9سططاختار شططکل )

یگیرمرحله ره یخروج تی. در نهاشطططودیکد اسطططتفاده م

تیکه ب یناوبر غامیپ گنالی( س1) است: گنالیدو س ،حامل

( 2و ) (کیشود )به صورت صفر و ییبار شناسا 20 دیآن با

کلیسط یکه دارا C/Aکد ییحاصطل از شطناسطا گنالیسط

درصد است. کی یکار

انتگرال گیری



PRNمولد کد

اسیلاتور محلی

90°




سیگنالورودی

E

P

L

E

P

L

IE

IP

IL

QL

QP

QE

I

Q

تفكیک کننده حلقه کد

فیلتر حلقه حامل تفكیک کننده حلقه حامل

.[1]گیر سنتی ( بلوک دیاگرام یک ره9شكل )

افزاریپیاده سازی سخت -3

هایی های لازم، آزمون، شبیه سازی و طراحیپس از بررسی

با نرم با در نظر گرفتن Matlabافزار که صطططورت گرفت،

)که در شکل ZYNQ7020افزاری موجود در منابع سخت

ست(، روش ردگیری برای ردیابی 10) شده ا ( نمایش داده

یل و GPSهای ماهواره که در خلال تکم خاب شطططد انت

های مختلفی از آن عملیاتی کردن گیرنده ماهواره، نسطططخه

ساخته و تکمیل شده است.

از ZYNQ7020با هسته AVNET( برد شرکت 10شكل )

.XILINXشرکت

ZYNQ7020

ARMPS

GPS

PL

LVCMOS-3.3

PL

PLLPS

ساخت بلوک ره بخشدر این ستاا و به گزارش گیری کا

پردازیم و در انتها با طراحی می FPGAسططازی آن در پیاده

های وارد شططده هایی، قدرت تحمل آن را در خرابیسططناریو

سیگنال سخت را ارزیابی می GPSدر افزار گیرنده نماییم.

از Zedboardبیان شطططده در مقاله، با اسطططتفاده از یک

کت نه بردار، آنتن XILINXشطططر مدارات GPS، نمو و

((.11)واسطه ساخته شده است )مطابق شکل


8

)الف(

)ب(

بردار و )ب( و اتصال به نمونه Zedboard( )الف( برد 11شكل )

های واقعی و آزمون با استفاده از داده GPSاتصالات گیرنده

بلادرنگ.

ی( طراح7مطابق شططکل ) ،گیرره یافزارسططخت یهابلوک

مل بلوک ند و شطططا Code Slew ،Code یها شطططده ا

NCO،Carry NCO ،Carry Gen ،Code Gen ،

ضرب و جمع کننده است. یهابلوک

یریقسططمت ردگ یروش ممکن برا نیاز آنکه در بهتر پس

یهرتز و فاز کد با خطا 25 یماهواره فرکانس داپلر با خطا

سخت پیچ مین ست آمد و به شد، قیگیر تزرافزار رهبه د

سمت بلوک صح Code Genدر ابتدا ق یحیبه اندازه عدد

ند یمنتظر م ،وجود دارد Code Slewکه در بلوک تا ما

س یزمان صفر ر ساخت کد د،یکه به مقدار C/Aشروع به

ساخته شده در C/Aعمل باعث هم فاز شدن کد نیکند. ا

. شططودیماهواره م گنالیدر سطط یافتیدر C/Aبا کد رندهیگ

لویک 1023در ابتدا برابر C/Aسطططاخت کد هی فرکانس اول

ست که در مراحل بعد صح یبرا یهرتز ا نیفاز کد از ا حیت

Code. همزمان با شطططودیبر آن اضطططافه م ایفرکانس کم

Gen ک بلوCarry Gen ی هاگنالیوارد عمل شططده و سطط

Cos وSin همان قا یکه فرکانس آنها در ابتدا دق ازی مورد ن

ست را م یدر ورود هاگنالیس نی. اسازند یفرکانس داپلر ا

س ضرب سه سبس در هر Codeی خروج گنالیشده و

Gen دارند، ضرب شده و ریختا پیچ کیکه نسبت به هم

رهیذخ PQو EI ،PI ،LI ،EQ ،LQ یها حاصطططل در حافظه

از هر ایوقفه گنالیس ،هیثان یلیم کی. پس از هر شوند یم

نیا یبرا ازیبرنامه مورد ن CPUشده تا تولیدگیر بلوک ره

هر شطططش یها یمنظور خروج نیوقفه را اجرا کند. به هم

قل ظه منت حاف به نده را مال نمودهجمع کن تا پس از اع

ها را به ثبات یخروج از،ی مورد ن یها لتریف Carry یها آن

NCO وCode NCO یها منتقل کند تا هم حلقه بلوک

DLL وPLL یبعد اتیعمل یبسته شوند و هم خود را برا

د.نماین حیتصح

گیرآزمون تحمل خرابی ره -3

گیر و قدرت افزار رهسخت یبه منظور آزمون تحمل خراب

شد یطراح یمختلف یهاویو قفل مجدد آن، سنار یابیباز

.میپردازیکه در ادامه به آنها م

یمطلوب در زمان قفل بودن رو ی( خروجالف

ماهواره گنالیس

یبه همراه فاز کد با خطا قیابتدا اگر فرکانس داپلر دق در

شود، بلوک قیگیر تزربه بلوک ره ریاز بلوک ردگ پیچ مین

.شودیقفل کامل م هیثان یلیو کمتر از ده م یگیر به سادگره

قابل I-Promptی از خروج یناوبر یهاتیب نیهمچن

((.12هستند )مطابق شکل ) یجداساز

بر سیگنال گیر قفل شده( خروجی مطلوب از یک ره12شكل )

ماهواره.

شیتمام قواعد و پ دیینمایهمان طور که مشاهده م

( قابل 12در شکل ) یمورد نظر از محاسبات تئور یهاینیب

به شدت کاهش Q یهاگنالیس یرو توان مشاهده است.

، جمع شده است. توان Iبر فاز یهاگنالیس یو بر رو افتهی

و I-Earlyمشابه یهاگنالیدو برابر س I-Prompt گنالیس


9

I-Late هم فاز یهاگنالیس ی. خروجباشدیمI کاملا مشابه

هم هستند.

فرکانس داپلر ی( آزمون خرابب

دوم به فرکانس داپلر محاسبه شده در قسمت یویدر سنار

اضافه شد یفرکانس یخطا یدر چند مرحله مقدار ر،یردگ

گیر مقاومت ره زانی( م16( تا )13) یهاکه در شکل

فرکانس حامل مشاهده یابیباز یرا برا یافزارسخت

.دیینمایم

هرتز 150 یخطا -1

گیر در ره یهابلوک یی( نشان دهنده عدم توانا13شکل )

هرتز به بالا موجود در استخراج فرکانس داپلر 150یهاخطا

بار اجرا، هنوز نتوانسته است 700گیر با بلوک ره رایز ،است

قفل شود. گنالیس یرو

هرتز به بالا در 150( عدم خروجی مطلوب در خطای 13شكل )

استخراج فرکانس داپلر.


یگیر نتوانستند بر روره یهابلوک زین ویسنار نیدر ا

از یول ،باز است PLLقفل شوند و همچنان حلقه گنالیس

به مقدار Qو I نگالیهر شش س یآنجا که مقدار خروج

نشان دهنده آن است که شوند،یم کیخود نزد حداکثر

و دهدیبه صورت جدا گانه به کار خود ادامه م DLLحلقه

بسته مانده است.

هرتز به بالا در 125( عدم خروجی مطلوب در خطای 14شكل )

استخراج فرکانس داپلر.

یهرتز 100 یخطا -3

پس از یگیرره ( نشان دهنده آن است که بلوک15شکل )

قفل شده است. گنالیس یبالاخره رو اتیبار انجام عمل 70

به دست یادیز اریحالت، فرکانس داپلر با دقت بس نیدر ا

جهینت توانیکه م دهدیآمده است و خود را با آن وفق م

100به فرکانس کیگیر نزدتحمل بلوک ره زانیگرفت م

خواهد بود. رتزه

گیری با گذر زمان.مطلوب قسمت ره( خروجی 15شكل )


گیر که بلوک ره شودیانجام شده معلوم م یهاویطبق سنار

آن یکه تئور یافزارنرم یهالتریشده با استفاده از ف یطراح

دنبال کردن ییشد، توانا یبررس یقبل یهادر بخش

هرتز را دارد 100کمتر از یداپلر با خطا یهافرکانس

یروهرتز بر 100بالاتر از ی(( و با خطا16)مطابق شکل )

قفل نخواهد شد. گنالیس


10

( خروجی مطلوب و پایدار در زمان تزریق فرکانس 16شكل )

داپلر و فاز کد مناسب.

آزمون فاز کد (ج

گیر در برابر ره یافزارمرحله قدرت بلوک سخت نیا در

شده است. با توجه به وجود یموجود در فاز کد بررس یخطا

گیر در مقابل تا بلوک ره رودیانتظار م ،C/Aسه مدل از کد

پیچ میراست و دو ن فتیخطا نسبت به ش پیچ میدو ن

چپ مقاومت نشان دهد و قادر به فتیخطا نسبت به ش

منظور در چند نیمقدار نباشد. بد نیاز ا شتریب ردندنبال ک

که مختلف داده شد ریفاز کد با مقاد ،گیرمرحله به بلوک ره

( آورده شده 20( تا )17) یهادر شکلحاصله از آنان وینتا

است.

به راست فتیش پیچ میفاز کد با شش ن -1

فاز کد DLLحلقه ،داستی( پ17همان طور که از شکل )

یقادر به قفل شدن بر رو گریاستخراج شده را گم کرده و د

.ستین گنالیس

گیر.عدم خروجی مطلوب بلوک ره (17شكل )

به راست فتیش پیچ میفاز کد با چهار ن -2

خطا در فاز کد پیچ میچهار ن ای پی( با دو چ18در شکل )

و قفل شود گنالیس یگیر نتوانسته است بر روبلوک ره زین

که فاز کد به استقفل شدن را دارا ییتوانا یتنها در زمان

انتظار قفل هیباشد تا پس از گذشت چند ثان یصورت کاهش

باشد. هشدن را داشت

گیر.( عدم خروجی مطلوب بلوک ره18شكل )

فتیش پیچ میدو ن ای پیچ کی یفاز کد با خطا -3

به راست

آن بر اساا سه زمان یهالتریگیر و فاز آنجا که بلوک ره

شده یطراح Code Genبلوک یخروج گنالیدر س ریتاخ

یبرا گنالیس یاستخراج قفل شدن بر رو تیاست، قابل

. لذا در شکل باشدیرا دارا م پیچ میکمتر از دو ن یهاخطا

پیچ کی ای پیچ میدو ن ی( که نشان دهنده خطا19)

قفل Early گنالیابتدا بر س رگیاست، بلوک ره اکامل خط

و I-Prompt یهاگنالیبه س یبه آرامشده و سبس توان

I-Late شودمی جاجابه.

گیر با گذر زمان.( خروجی مطلوب بلوک ره19شكل )

به راست فتیش پیچ مین کیفاز کد با -4

(( به سرعت 20)مطابق شکل ) ویسنار نیگیر در ابلوک ره

عایسر واصلاح Code-Genبلوک توانسته است فاز کد در

ماهواره را یارسال یهاو داده هقفل شد گنالیس یبر رو

استخراج کند.


11

گیر در زمان تزریق ( خروجی مطلوب بلوک ره20شكل )

فرکانس داپلر و فاز کد.

باز شدن حلقه فرکانس و فازکد (د

یبالا رفتن سرعت نسب لیاز قب یلیکه به دلا ییهازمان در

مفقود شدن ای ،یریچندمس یهادهیو ماهواره، پد رندهیگ

فیماهواره، اثرات حرکت شتابدار و ضع یارسال گنالیس

ایگردد و عیفرکانس داپلر سر راتییتغ گنال،یشدن س

هایحلقه رود، نیاز ب یبا کد محل یافتیانطباق فاز کد در

DLL وPLL یو خروج شوندیاز بسته بودن خود خارج م

مگر آنکه ،( در خواهد آمد21گیر به صورت شکل )ره

یهالتریو ف یافزارسخت یهالازمه همچون بلوک داتیتمه

حیحادثه طرا نیاز ا یریجلوگ یبرا یمناسب یافزارنرم

توان شود،یاز قفل خارج م PLLگردند. از آنجا که بلوک

پخش خواهد Qو I گنالیدر هر شاخه در هر دو س گنالیس

یاز حلقه خود خارج شود، توان از رو DLLشد و اگر بلوک

یهابه شاخه یبه آرام Q-Promptو I-Prompt گنالیس

ییحاصل از شناسا یمربع گنالیو س شودیمنتقل م گرید

رییمحو خواهد شد که با توجه به تغ زیماهواره ن یهاداده

-Iبه بیبه ترت گنالیچپ س ایسمت راست و بهفاز کد

Early وQ-Early ه ب ایوI-Late وQ-Late منتقل

.شودیم

و عدم Qبه سیگنال I( انتقال توان از سیگنال 21شكل )

گیر.خروجی مطلوب بلوک ره

یریگیر پس از ردگو بلوک ره ریتوامان بلوک ردگ یخروج

فاز کد و فرکانس داپلر در شکل قیو تزر 14ماهواره شماره

در یتابع همبستگ کپی مقدار ابتدا. اند( آورده شده22)

یشده )به خروج شتریاز مقدار حد آستانه ب یریبلوک ردگ

یلیم 11.439در زمان یخط عمود یکیدر نزد P3 گنالیس

فعال ریوقفه بلوک ردگ گنالیدقت شود( و به سرعت س هیثان

یبرا ازیاطلاعات مورد ن CPU. به طور همزمان در گرددیم

گیر آماده ترل بلوک رهکن ازیساختمان داده مورد ن ماتیتنظ

از یگیرشروع ره یبرا ازیمورد ن یهاداده نیشده و همچن

.گرددیم تقلگیر منبه قسمت ره ریافزار ردگقسمت سخت

)الف(

)ب(

میلی 11.439( )الف( خط عمودی نزدیک به زمان 22شكل )

ثانیه هنگام خروجی مطلوب قسمت ردگیر که بالاتر از سطح

ارسال سیگنال وقفه و )ب( خروجی مطلوب آستانه است و

میلی ثانیه پس از آماده شدن خروجی بلوک 4گیر بلوک ره

ردگیر.

فاز کد و افتیگیر و درافزار رهشدن سخت میپس از تنظ

گیر شروع به هرتز، بلوک ره 12.5 یفرکانس داپلر با خطا

،شودی( مشاهده م22کار کرده و همان طور که در شکل )

یها( به سرعت حلقهdump_1 گنالیپس از چهار بسته )س


12

DLL وPLL یهاگنالی)س شوندیبسته مI-Early و

I-Prompt.)

گیرینتیجه -4

همان طور که مشطططخن شطططد، عوامل مختلفی بر روی باز

گیری موجود در بلوک ره DLLو PLLهای شطططدن حلقه

فعالیت گیرنده، بسططیار کنند. بنابراین در زمان نقش ایفا می

گیر در شطططرایط مختلف، همچنان مهم اسطططت که بلوک ره

های دریافتی رخ ندهد و بسطططته بماند تا خطایی در داده

های ارسطططالی توسطططط ماهواره، بدون خطا به بلوک پارامتر

ند. بلوک قل گرد یت منت عدی، یعنی بلوک تعیین موقع ب

برابر 5به گیری تعبیه شططده در این گیرنده تنها نسططبت ره

طول فیلترهای به کار رفته در این بلوک مقاومت نشطططان

قه ند فیلتر حل با هرتز 20برابر PLLداده اسطططت )پهنای

سمت ردگیری شردگی و پیچیدگی زیادی در ق ست( و ف ا

تعبیه شده است تا خطای فرکانس داپلر استخراج شده در

وک هرتز برسد و بل 100گیر به زیر زمان تزریق به بلوک ره

گیر قابلیت دنبال کردن سططیگنال را داشططته باشططد. در ره

صططورتی که پهنای باند بیشططتر شططود، هرچند که راه کار

است، آسانی برای افزایش قدرت تحمل خرابی در این بلوک

خل بلوک ره به دا قل ولی توان نویز بیشطططتری گیر منت

ست، گیرنده گردد و در زمانمی ضعیف ا سیگنال هایی که

یاز به سطططاده یت خود باز می از فعال ماند. لذا از آنجا که ن

های سطططازی بلوک ردگیری اسطططت، باید امکانات و ویژگی

تا اگر بیشطططتری در بخش بلوک ره نده شطططود جا گیر گن

هرتز( در فرکانس 100خطاهایی بیشطططتر از مقدار فعلی )

گیر همچنان داپلر اسططتخراج شططده وجود داشططت، بلوک ره

روی سیگنال را داشته باشد.قابلیت قفل شدن بر

منابع

[1] K. Borre, D. M. Akos, N. Bertelsen, P. Rinder

and S. H. Jensen, "A Software-Defined GPS and

Galileo Receiver, A Single-Frequency

Approach", Applied and Numerical Harmonic

Analysis, 2007.

[2] A. Tabatabaei and M. R. Mosavi, “Robust

Adaptive Joint Tracking of GNSS Signal Code

Phases in Urban Canyons”, IET Radar, Sonar &

Navigation, Vol.11, No.6, pp.987-993, 2017.

[3] A. Tabatabaei, M. R. Mosavi and H. S.

Shahhoseini, “MP Mitigation in Urban Canyons

using GPS-combined-GLONASS Weighted

Vectorized Receiver”, IET Signal Processing,

Vol.11, No.4, pp.446-451, 2017.

[4] A. Tabatabaei, M. R. Mosavi, H. S. Shahhoseini

and K. Borre, “Vectorized and Federated

Software Receivers Combining GLONASS and

GPS”, Journal of GPS Solutions, Vol.21, No.3,

pp.1331-1339, 2017.

[5] A. Tabatabaei and M. R. Mosavi, “Performance

Analysis of GLONASS Integration with GPS

Vectorized Receiver in Urban Canyon

Positioning”, Journal of Survey Review, Vol.51,

No.368, pp.460-471, 2019.

[6] D. Doberstein, "Fundamentals of GPS Receivers-

A Hardware Approach", Springer, 2012.

[7] Arinc, Navstar GPS Space Segment/Navigation

User Interfaces, IS-GPS-200D, ARINC Research

Corporation, Fountُain Valley, 2004.

[8] M. R. Mosavi, M. Moazedi, M. J. Rezaei and A.

Tabatabaei, "Interference Mitigation in GPS

Receivers", Iran University of Science and

Technology, 2015.

[9] M. R. Mosavi, Z. Nasrpooya and M. Moazedi,

“Advanced Anti-Spoofing Methods in Tracking

Loop”, Journal of Navigation, Vol.69, No.4,

pp.883-904, 2016.

[10] M. Moazedi, M. R. Mosavi and A. Sadr, “Real-

Time Interference Detection and Mitigation in

Robust Tracking Loop of GPS Receiver”,

Journal of Analog Integrated Circuits and Signal

Processing, Vol.95, No.1, pp.93-113, 2018.

هیاپ دناب gps -...

Documents