基于PCIe总线的卫星导航信号传输系统设计

摘 要： 为了满足高精度软件接收机对卫星导航中频信号传输系统的新要求，设计了一种基于PCIe总线的传输系统。该系统以Virtex-5 FPGA为核心控制器件，以DMA方式通过4通道PCIe接口传输导航卫星数据。详细介绍传输系统AD模块、DMA控制模块、中断模块等核心模块的FPGA实现方法。经过测试与验证，系统读写速率分别达到了800 MB/s和650 MB/s,可以满足不同层次导航软件接收机对原始导航数据的需求。

关键词： 卫星导航；FPGA；PCIe；DMA

0 引言

近年来，随着软件无线电技术的快速发展，GNSS软件接收机因其高度的灵活性、通用性、开放性等优点，成为GNSS接收机的发展主流[1]。GNSS数据传输系统作为软件接收机的硬件部分，深圳电感厂通过射频接收、A/D转换、数字采集与传输等模块为GNSS软件接收机提供原始的观察数据，原始数据的质量在一定程度上影响着软件接收机对原始数据的要求。

目前导航中频信号的传输系统大都基于USB、PCI总线[2-3]，采样速率、数据传输速率都越来越无法满足高性能软件接收机的需求，PCIe作为第三代的高性能I/O串行总线，在总线带宽、传输速率、灵活性等方面都有了较大的提升，根据实际系统的不同，它可以灵活配置成X1、X4、X8和X16通道，单通道在每个方向上的发送与接收速率可以达到2.5 Gb/s，可以满足各种软件接收机对原始导航数据的需求。

1 系统组成

本文所设计的导航数字中频信号传输系统由A/D模块、Xilinx、PCIe IP硬核+PCIe-DMA控制模块、数据缓存模块组成，系统基本结构如图1所示。A/D模块接收射频前端产生的模拟中频型号，对其进行240 MS/s的采样；FPGA完成A/D的控制逻辑及采样后信号的数字处理，同时FPGA还产生PCIe硬核的DMA控制逻辑，将最终的导航数据通过PCIe接口传输到上位机。

2 系统关键模块设计

2.1 A/D模块设计

模数转换器（ADC）是采集系统的关键器件之一。系统采用AD9467实现数据转换功能，AD9467是一款量化精度为16 bit、采样时钟频率高达250 MHz的模数转换器，具有优异的性能。该模块接收射频前端模块经下变频产生的模拟中频信号，考虑到GNSS各频段导航信号(包括GPS、GLONSS、GALILEO以及北斗)为大约210 MHz[4]的带通信号(见表1)以及整数倍频率抽取两个因素，将A/D采样频率设置为240 MS/s，采样后的数据经过FPGA数字处理模块后变成IQ数据，采样率变为20 Mb/s，通过数据缓存，经PCIe接口传输到上位机。

2.2 PCIe-DMA控制模块设计

本系统采用Xilinx公司的Virtex5-XC5VFX70T芯片，该芯片集成了PCIe硬核，实现了X4通道的PCIe接口。系统的DMA控制逻辑原理框图如图2所示，其主要包含PCIe配置空间接口设计、发送模块、接收模块以及中断控制模块。

2.2.1 PCIE接口的配置空间

PCI Express配置空间与驱动程序设计密切相关，它是PCI Express传输卡与上位机的接口管理部分。配置寄存器空间用来与上位机进行交流，上位机驱动程序主要通过这组寄存器对传输卡进行控制。而FPGA端则根据上位机在配置寄存器中的具体参数来完成DMA传输。表2列出了这组寄存器的具体名称及偏移地址。

2.2.2 数据发送模块

在本设计中，发送数据模块(TX_ENGING)接收经A/D采样、数字处理后的导航信号，根据上位机的DMA读请求，将导航数据组织成相应的TLP包[5]发送至上位机。其帧头格式如图3所示。

初始状态下状态机处于TX_RXT复位状态，如图4所示，其有效转换状态可以概括为以下几点：

(1)发送CPLD包：TX端带数据的完成包主要响应上位机对配置空间的读请求，当板卡RX端收到上位机的DMA读请求后，会由开始状态进入发送CPLD包的状态，根据读请求包中的地址信息，将配置空间对应寄存器中数据返回给上位机。

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