Implementation of GNSS baseband hardware

Abstract

AB3:Satelliittipaikannuksen käyttö erilaisissa sovelluksissa ja kohteissa lisääntyy jatkuvasti. Satelliittipaikannusjärjestelmistä tunnetuimman, GPS:n, lisäksi on olemassa muita järjestelmiä. Euroopan Unioni päätti 1998 aloittaa uuden satelliittipaikannusjärjestelmän kehittämisen. Tälle järjestelmälle annettiin nimeksi Galileo. Tämän diplomityön tarkoituksena oli suunnitella digitaalinen prototyyppi paikannusvastaanottimen kantataajuusosasta. Kantataajuusosan oli tarkoitus pystyä hyväksikäyttämään sekä saatavilla olevia GPS- että Galileo-signaaleja. Teoreettisessa osuudessa tutustutaan aluksi paikannuksen yleisiin periaatteisiin matkamittauksen avulla. Teoreettinen esittely jatkuu perussatelliittipaikannusvastaanottimen lohkokaaviolla. Vastaanotin sisältää antennin, radio- ja kantataajuusosat sekä laskennallista signaalien prosessointia. Osista keskitytään erityisesti työssä aiheena olevaan kantataajuusosaan, jonka päätehtäviä ovat signaalien löytäminen ja niiden seuraaminen löytämisen jälkeen. Diplomityön toisessa osuudessa pureudutaan työssä käytettyihin työkaluihin, menetelmiin ja lopulliseen kantataajuusosaan. Vastaanotinjärjestelmä on jaettu satelliittikoodien tuottamiseen erikoistuneeseen lohkoon, satelliittien etsintälohkoon sekä neljään erilliseen seurantalohkoon. Lohkojako ei ole täysin tarkka, sillä esimerkiksi satelliittien löytämistä varten tarvitaan osia, jotka on sijoitettu seurantalohkoihin.. Toteutetusta kantataajuusosasta käy ilmi, että on mahdollista löytää ja seurata sekä GPS- että Galileo-signaaleja käyttäen hyväksi suurimmaksi osaksi yhteisiä lohkoja. Järjestelmän toimivuuden takaamiseksi esitellään diplomityössä satelliittien haun toimintaa käytännössä. Simulaatioissa käytettiin apuna oikeaa satelliittimittausdataa. Oikeaa dataa ei ole toistaiseksi olemassa kuin GPS:lle, johtuen siitä, että Galileo järjestelmä ei ole vielä valmis. Näin ollen Galileo-simulaatiota varten käytettiin keinotekoista satelliittidataa. Simulaatioiden avulla havaittiin, että satelliittien löytäminen molemmille järjestelmille toimii. Simulaatioiden jälkeen esitellään järjestelmän synteesitulokset FPGA:lle (Field Programmable Gate Array) ja ASIC:lle (Application Specific Integrated Circuit). Synteesituloksista nähdään, että järjestelmä mahtuu valitulle FPGA:lle sekä se, että Galileo-ominaisuuden lisääminen GPS:n rinnalle ei lisää juurikaan piirin pinta-alan kulutusta. Kantataajuusosan jatkokehittäminen on vaikeaa käytetyillä laiteresursseilla. Mikäli laiteresursseja olisi enemmän voitaisiin järjestelmää laajentaa ja sen kohinaominaisuuksia parantaa.

The use of Global Navigation Satellite System (GNSS) is steadily increasing in wide field of applications. Global Positioning System (GPS) is currently the most popular GNS system. The European Union (EU) is developing Galileo, a satellite navigation system independent of GPS. In this thesis, combined baseband hardware capable of receiving part of the publicly available signals from both satellite systems was developed. The object of the thesis was to find a generic digital hardware solution which can acquire and track both systems in reasonable time. The thesis can be divided into two parts. In the first part the basics of positioning are explored and different techniques for the acquisition of GPS and Galileo signals are introduced. In relation to the available hardware, the optimal acquisition technique was then selected. In part two the baseband hardware was implemented using Very High Speed Integrated Circuit (VHSIC) Hardware Description Language (VHDL). Simulations of the acquisition process using both real and generated data are made to the developed hardware. Finally the baseband was synthesized and the synthesis results were analyzed. The synthesis was first done to a selected Field Programmable Gate Array (FPGA) and then to Application Specific Integrated Circuit (ASIC) technology. The implementation was optimized in relation to the FPGA. The implementation in this thesis shows that using common properties of GPS and Galileo signals it is possible to have a combined implementation which will share most of its functional blocks with both satellite systems. The differences in the systems can be taken into account with control logic and separate replica code generators. The control logic can be simplified to the extent in which the reception of either satellite system can be stripped from the implementation by a simple pin selection. The synthesis results show that both FPGA and ASIC implementations are viable. The results also ensure that it is possible to use the developed hardware as a part of a complete functional receiver.