结合自适应调零算法给出了一种信号处理系统的硬件实现方案
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；数字上变频恰好与之相反。由于变频芯片处理多路数据，所以选择gc5016作为专用数字变频器件，该器件是ti公司推出的宽频带4通道的可编程数字上/下变频转换器，提供150m sample·s-1时钟，具有杰出的3g性能、灵活的宽带数字滤波、多个输入与输出接口选项以及超低功耗。4个完全相同的处理通道能独立配置成上变频，下变频或者是两个上变频和两个下变频组合的通道。满足了设计对变频芯片的要求。
1.3 a/d模块
a/d器件的选择应该保证系统设计功能和性能的实现，主要应从4个方面考虑：(1)a/d速率的选择：输入到a/d的中频信号为16mhz，按照nyquist采样定理，系统应该给a/d 32mhz的采样速率，但这个采样数据速率不能满足算法对数据量的需求，根据算法需求采样率应在60mhz以上。(2)采用分辨率较高的器件：a/d器件的分辨率主要取决于器件的转换位数和器件的信号输入范围，由此可见，分辨率越高a/d器件的信噪比就越高。根据加干扰gps信号的动态范围较大的实际特点，需要选择16位或以上的a/d器件。(3)根据环境条件选择a/d转换芯片的环境参数。因项目对功耗不敏感，所以不作为选型主要因素。(4)根据接口特征选择合适的a/d芯片。由于上下变频器件种类较少，所以需要根据变频器件接口来选择a/d器件，保证a/d器件能和变频器件实现无缝连接。但需要考虑电平和编码方式等。
综上4个方面考虑，以及参考a/d公司资料，最终选择ad9460作为a/d转换器。ad9460具有79db的信噪比，并且以130msample·s-1的高速中频采样速率达到16位的精密度，ad9460以80msample·s-1采样率工作时，其功耗为1.4w。
根据抗干扰调零算法的要求：7路中频模拟信号经过a/d后还应保证数据同步，为保证7路数据同步，使用副fpga给7个a/d提供相同的时钟信号，在pcb上保证副fpga到7个a/d芯片的时钟线为同样长，这样即可在硬件上保证数据同步。
1.4 d/a模块
数据经过算法处理后，输出经数字上变频还原成中频模拟信号，需要选择与之相适应的d/a转换芯片。选择d/a转换芯片时需要考虑3方面因素：(1)d/a的转换精度，在实际中d/a转换器会受到电路元件参数误差，基准电压不稳和运算放大器的零漂等因素影响，应采用精度较高的d/a转换器芯片。(2)对照上变频芯片输出数据的编码方式、数据位数以及速率等，选择d/a转换器芯片与之无缝连接，还应考虑d/a输出动态幅度是否可以满足射频端的要求。(3)根据环境条件选择a/d转换芯片的环境参数。
最终选择ad9747作为d/a转换芯片。ad9747是宽动态范围，双通道数模转换器，分辨率达到16bit，最高采样速率为250msample·s-1，该转换器具有直接转换传输应用特性，可以和正交调制器进行无缝连接，标志着d/a器件转换精度的两个参数，dnl值为2lsb，inl值为4lsb满足了系统对d/a器件的要求。
2 测试信号处理系统 以上是信号处理系统硬件的详细设计过程，为验证信号处理模块硬件能够正常工作，首先用数字信号发生器给7路a/d加上频率16mhz，峰峰值1v，偏置为0.5v的正弦波，7路正弦波经过a/d采样，经下变频到达fpga模块，再使用xilinx公司提供的chipscope观察7路信号的波形。图3和图4为其中两路使用chipscope在fpga中观察到的波形。
由图像观察可知，两路信号在幅值和相位上大体一致。信号之间的不同步是由于电路板固有因素造成，如布线、芯片之间的差异等。因为算法对数据同步有严格要求，所以对这两路信号做幅相校正。
做幅相校正后，两路信号完全重合，满足算法对数据同步的要求。同样，其余几路经过测试，与这两路情况相同。从而验证了从a/d模块到fpga模块在硬件上满足设计要求。在fpca中把任一路信号直通给上变频芯片，然后由d/a模块输出，用示波器观察会发现一个频率为16mhz的正弦波。这就验证了fgpa到d/a模块在硬件上也是满足设计要求的。
3 结束语 文中完成了数字调零天线信号处理系统的硬件设计，通过测试验证了硬件的正确性，能满足数字调零天线算法的要求。下一步工作：(1)与射频端进行对接，完成整个硬件系统的调试工作。(2)把数字抗干扰调零算法在fpga中实现。
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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。
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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。
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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。
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综上4个方面考虑，以及参考a/d公司资料，最终选择ad9460作为a/d转换器。ad9460具有79db的信噪比，并且以130msample·s-1的高速中频采样速率达到16位的精密度，ad9460以80msample·s-1采样率工作时，其功耗为1.4w。
根据抗干扰调零算法的要求：7路中频模拟信号经过a/d后还应保证数据同步，为保证7路数据同步，使用副fpga给7个a/d提供相同的时钟信号，在pcb上保证副fpga到7个a/d芯片的时钟线为同样长，这样即可在硬件上保证数据同步。
1.4 d/a模块
数据经过算法处理后，输出经数字上变频还原成中频模拟信号，需要选择与之相适应的d/a转换芯片。选择d/a转换芯片时需要考虑3方面因素：(1)d/a的转换精度，在实际中d/a转换器会受到电路元件参数误差，基准电压不稳和运算放大器的零漂等因素影响，应采用精度较高的d/a转换器芯片。(2)对照上变频芯片输出数据的编码方式、数据位数以及速率等，选择d/a转换器芯片与之无缝连接，还应考虑d/a输出动态幅度是否可以满足射频端的要求。(3)根据环境条件选择a/d转换芯片的环境参数。
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