蔡建平,錢(qián)曙光,杜克明,溫幸饒

(1.中國(guó)人民解放軍61081部隊(duì),北京100094;2.西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院,陜西西安710071;3.河北省廣播電視局,河北石家莊050000)

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要位置,是國(guó)民經(jīng)濟(jì)信息化建設(shè)的重要組成部分和推進(jìn)力量,是建設(shè)國(guó)家信息體系的重要基礎(chǔ)設(shè)施,是直接關(guān)系到國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)支撐系統(tǒng)。從目前衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及市場(chǎng)需求來(lái)看,單一的衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求,發(fā)展趨勢(shì)必然是多種導(dǎo)航定位系統(tǒng)的兼容,而導(dǎo)航定位接收機(jī)中的相關(guān)器設(shè)計(jì)是導(dǎo)航定位接收機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)之一。SoC作為系統(tǒng)級(jí)芯片,在集成電路的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中越來(lái)越顯現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。SoC的設(shè)計(jì)方法也將發(fā)展到即插即用型基于應(yīng)用平臺(tái)的設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)就是對(duì)IP核的設(shè)計(jì)和復(fù)用。因此采用基于SoC應(yīng)用的IP核設(shè)計(jì)方法對(duì)導(dǎo)航定位接收機(jī)中的關(guān)鍵電路雙模相關(guān)器IP核進(jìn)行設(shè)計(jì),既是對(duì)IP核設(shè)計(jì)方法的有益探索,也為以后的雙模及多模接收機(jī)的研制打下了基礎(chǔ)。

1 工作原理

鑒于Galileo系統(tǒng)兼容于GPS系統(tǒng),同時(shí)GPS系統(tǒng)又是非常穩(wěn)定和成熟的,因此以GPS系統(tǒng)來(lái)對(duì)相關(guān)器的工作原理進(jìn)行介紹。GPS衛(wèi)星發(fā)射的是擴(kuò)頻BPSK信號(hào),接收端只有經(jīng)解擴(kuò)、解調(diào)才能恢復(fù)基帶信號(hào),而完成這些工作就要用到相關(guān)器。相關(guān)器是利用本地復(fù)現(xiàn)的載波頻率和C/A碼與輸入的數(shù)字中頻進(jìn)行相關(guān)處理,去除載波頻率和C/A碼信號(hào),得到用于計(jì)算偽距和導(dǎo)航電文的各種測(cè)量數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。如果忽略信號(hào)在傳輸路徑上和接收機(jī)內(nèi)附加的滯后延時(shí),經(jīng)過(guò)射頻前端采樣后的中頻信號(hào)用連續(xù)信號(hào)可以表示為:

式中,SIF(t)為射頻前端輸出的數(shù)字中頻信號(hào);C/A(t)為C/A碼信號(hào);D(t)為導(dǎo)航電文;ωIF為數(shù)字中頻;φ為初始相位。該中頻信號(hào)經(jīng)基帶處理器采樣并鎖存后分成2路與本地載波NCO產(chǎn)生的同相載波分量和正交載波分量進(jìn)行混頻之后,經(jīng)過(guò)低通濾波器基帶信號(hào)可表示為:

如果經(jīng)過(guò)捕獲、跟蹤、微調(diào)后,本地載波與輸入載波同步、本地C/A碼與衛(wèi)星擴(kuò)頻碼同步,即 ωIF=ω0.φ=φ0,于是在式(4)中,正交分量輸出為0,同相分量得到導(dǎo)航電文:

相關(guān)器電路主要由本地載波NCO、碼NCO、本地C/A碼發(fā)生器、載波剝離模塊、相關(guān)陣列模塊構(gòu)成。GPS的一個(gè)典型的相關(guān)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型相關(guān)器結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看出,輸入信號(hào)首先送給載波剝離模塊,在該模塊中輸入信號(hào)與本地復(fù)現(xiàn)的載波信號(hào)的同相分量和正交分量相乘,得到采樣數(shù)據(jù)流的同相分量和正交分量。這些輸出值與本地產(chǎn)生的C/A碼的超前、即時(shí)和滯后碼同時(shí)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,共有6組積分累加數(shù)據(jù)輸出。這些輸出的數(shù)據(jù)送給后面的處理器進(jìn)行計(jì)算,得到修正量來(lái)控制本地載波發(fā)生器和C/A碼發(fā)生器,完成對(duì)載波和碼的捕獲和跟蹤。

在進(jìn)行實(shí)際相關(guān)器的設(shè)計(jì)時(shí),除了本地載波NCO、碼NCO、本地C/A碼發(fā)生器、乘法器和累加清零器模塊之外,還包括時(shí)基發(fā)生器模塊、時(shí)鐘發(fā)生器模塊、碼滑動(dòng)計(jì)數(shù)器、載波周期計(jì)數(shù)器、碼相位計(jì)數(shù)器和歷元計(jì)數(shù)器。其中時(shí)基發(fā)生器產(chǎn)生時(shí)間定時(shí)信號(hào)用于控制在相關(guān)器的累加器和微處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸。時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)輸入的主時(shí)鐘進(jìn)行分頻產(chǎn)生相關(guān)器所需要的各種時(shí)鐘信號(hào)以及用作處理器的同步時(shí)鐘信號(hào)。碼滑動(dòng)計(jì)數(shù)器的功能是更改本地碼發(fā)生器的狀態(tài),從而改變本地產(chǎn)生的碼序列的相位。歷元計(jì)數(shù)器測(cè)量值由處理器讀取用于位同步和幀同步。載波周期計(jì)數(shù)器的功能是對(duì)2個(gè)基本時(shí)間幀之間的載波周期進(jìn)行計(jì)數(shù),這個(gè)測(cè)量值可以用來(lái)計(jì)算2個(gè)偽距之間的變化量,從而計(jì)算出接收機(jī)的速度。

2 設(shè)計(jì)與仿真

2.1 導(dǎo)航信號(hào)分析

Galileo信號(hào)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)之一是兼容GPS信號(hào),2種信號(hào)均為CDMA擴(kuò)頻調(diào)制,因此相關(guān)器通道能夠兼容,這為雙模接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。但Galileo信號(hào)的設(shè)計(jì)同時(shí)采用了一些新技術(shù),如BOC調(diào)制和導(dǎo)引信道等,這些新技術(shù)的應(yīng)用在帶來(lái)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也帶來(lái)了在高靈敏度接收方面的困難。下面對(duì)2種信號(hào)進(jìn)行具體分析。

根據(jù)歐空局(ESA)與伽利略聯(lián)合執(zhí)行體(GJU)公布的最新信號(hào)接口控制文檔,Galileo信號(hào)的頻譜共有10個(gè)空間信號(hào),傳輸5種不同的服務(wù)數(shù)據(jù)。所有Galileo衛(wèi)星都將共享同樣的頻率波段,采用CDMA多址技術(shù),每個(gè)信號(hào)每個(gè)頻率及每顆衛(wèi)星都將使用不同的擴(kuò)頻碼,極化方式與GPS一樣,仍然是右手螺旋極化?？梢园l(fā)現(xiàn)Galileo信號(hào)的E1、E5a頻段與GPS的L1、L5頻段的中心頻點(diǎn)是相同的。也就是說(shuō)只要射頻前端的帶寬相應(yīng)增加即可接收到2個(gè)星座系統(tǒng)的信號(hào),這就為雙模接收機(jī)的研制提供了方便。Galileo信號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)為了與GPS信號(hào)實(shí)現(xiàn)良好的兼容,采用了BOC(Binary Offset Carrier)調(diào)制方式作為Galileo信號(hào)設(shè)計(jì)的主要方式。BOC調(diào)制不僅使Galileo信號(hào)避免了與GPS L1信號(hào)的相互干擾,而且在許多方面具有優(yōu)勢(shì)。但BOC信號(hào)所獲取的優(yōu)勢(shì)其實(shí)是以其帶寬翻倍為代價(jià)的,這就為高靈敏度接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了困難;BOC信號(hào)的捕獲,在BOC信號(hào)的初始捕獲階段,以同樣的捕獲時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn),Galileo接收機(jī)的相關(guān)器資源消耗是GPS的一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。對(duì)于高靈敏度信號(hào)的接收,由于相干積分時(shí)間的加長(zhǎng),捕獲上的差別主要是碼相位數(shù)目的增加。如果輔助信息的提供能夠去除Galileo信號(hào)的二級(jí)碼,必然能夠減小非相干的次數(shù),靈敏度能夠得到改善。因此Galileo信號(hào)的特點(diǎn)決定了傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)相關(guān)器通道結(jié)構(gòu)不完全適合于Galileo信號(hào)的接收,這就使得雙模接收機(jī)的設(shè)計(jì)面臨了新的挑戰(zhàn)。

2.2 IP核設(shè)計(jì)

雙模導(dǎo)航定位接收機(jī)電路設(shè)計(jì)為24個(gè)接收通道,其中12個(gè)用于接收GPS,12個(gè)用于接收Galileo。其中射頻和基帶輸入時(shí)鐘為同一晶振的時(shí)鐘,達(dá)到同源效果,晶振頻率為10M。AD_CLK為62 MHz,能滿(mǎn)足AD采樣性能要求。AD芯片輸出數(shù)字信號(hào)量化比特為8 bit。芯片主要負(fù)責(zé)信號(hào)相關(guān),采用FFT技術(shù)進(jìn)行頻譜分析,微處理器主要負(fù)責(zé)捕獲控制、環(huán)路、電文解調(diào)和PVT解調(diào)等。

雙模相關(guān)器電路主要分為捕獲和跟蹤兩部分。在捕獲部分采樣FFT頻域捕獲方案,原理是利用FFT計(jì)算,在頻域上劃分分格依次搜索。這樣每次搜索完成后,整個(gè)時(shí)域就被搜索一遍。當(dāng)整個(gè)頻域依次被搜索完畢后,也會(huì)在二維時(shí)域和頻率空間尋找最大相關(guān)值。這種捕獲策略相對(duì)于其他方法而言,能夠有效減少捕獲時(shí)間。FFT搜索算法是基于數(shù)學(xué)特性:時(shí)域的卷積等價(jià)于頻域的相乘。傳統(tǒng)的2個(gè)抽樣序列之間的相關(guān)實(shí)現(xiàn)方式如下:

式中,R(m)為延遲m的函數(shù),是x(n)和c(n)之間的函數(shù)。但是如果直接計(jì)算相關(guān)值R(m),其運(yùn)算量非常大,正比于序列長(zhǎng)度的NL平方。如果通過(guò)頻域來(lái)計(jì)算,其運(yùn)算量將大幅度減少,運(yùn)算時(shí)間變短。在FFT單元,對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理,分段的長(zhǎng)度L就決定一次并行運(yùn)算的長(zhǎng)度,與捕獲概率、捕獲時(shí)間有很大關(guān)系。偽碼并行FFT算法的搜索過(guò)程與匹配濾波法相似,但速度比匹配濾波法快。即在估計(jì)的多普勒頻率點(diǎn)進(jìn)行一次FFT,以搜索全部偽碼相位,并把功率最大值和門(mén)限值比較,若最大值大于門(mén)限值,則表明信號(hào)捕獲,隨即給出信號(hào)所在位置的碼相位和多普勒頻率,進(jìn)入信號(hào)跟蹤階段。如果最大值小于門(mén)限值,則表明信號(hào)未捕獲,通過(guò)控制邏輯改變多普勒搜索單元,重復(fù)上述過(guò)程。由于FFT具有把能量集中到一個(gè)單元上的特性,所以FFT的并行搜索方式,不但搜索時(shí)間短,而且可以在低信噪比下捕獲信號(hào)。

跟蹤部分使用的碼跟蹤環(huán)路是非相干超前/滯后門(mén)延時(shí)鎖定環(huán)路,輸入跟蹤環(huán)路的是導(dǎo)航信息和PRN碼調(diào)制后的載波。輸入信號(hào)分為2路,與本地產(chǎn)生的PRN碼的超前和滯后作相關(guān)。2路本地碼間隔一樣,通常典型值是準(zhǔn)同步碼±0.5個(gè)碼片。相關(guān)后的2路信號(hào)都與基帶混合,就產(chǎn)生了同相和正交兩分量。超前和滯后2路信號(hào)的能量相減,結(jié)果經(jīng)過(guò)濾波后輸入NCO(數(shù)控振蕩器),NCO的輸出作為PRN碼發(fā)生器的時(shí)鐘輸入。這樣,誤差信號(hào)的偏移量就能指示哪路信號(hào)含有更多能量,于是就能得知NCO究竟需要加速還是減慢本地PRN碼的發(fā)生。

在雙模相關(guān)器IP核的設(shè)計(jì)過(guò)程中,首先是使用Matlab進(jìn)行系統(tǒng)建模,并生成模擬的數(shù)據(jù)作為激勵(lì)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真。在仿真成功后,進(jìn)行RTL設(shè)計(jì)。RTL設(shè)計(jì)全部采用VHDL,并且嚴(yán)格遵守VHDL編碼規(guī)則及IP核設(shè)計(jì)規(guī)則。測(cè)試使用的激勵(lì)由Matlab產(chǎn)生,調(diào)試時(shí)使用了代碼覆蓋率檢查工具,確保覆蓋率達(dá)到100%。雙模相關(guān)器IP核的電路模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 雙模相關(guān)器芯片的電路模塊結(jié)構(gòu)

在雙模相關(guān)器IP核功能得到驗(yàn)證之后,進(jìn)行了IP核的標(biāo)準(zhǔn)化工作,首先使用檢查工具leda3.0.0對(duì)相關(guān)器的VHDL代碼進(jìn)行檢查,在使用標(biāo)準(zhǔn)腳本運(yùn)行檢查之后,沒(méi)有 Error和Warning;IP核中的Memory,可以根據(jù)選擇的工藝庫(kù)不同,運(yùn)行與工藝庫(kù)相對(duì)應(yīng)的腳本即可得到;仿真工具有2款:Windows XP操作系統(tǒng)下的Modelsim6.5和Linux操作系統(tǒng)下的vcs2009.06。測(cè)試激勵(lì)是由導(dǎo)航系統(tǒng)碼流儀產(chǎn)生的,TB分為跟蹤和捕獲兩大部分,分別使用相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真結(jié)果的驗(yàn)證;代碼覆蓋率分析使用的是vcs2009.6,達(dá)到了100%;綜合使用的是Synopsys公司的DesignCompiler2007.03軟件實(shí)現(xiàn)的,使用的腳本、約束文件均已打包,并且針對(duì)不同的工藝庫(kù),使用了不同的腳本文件,可以解壓縮直接使用;后端布局布線時(shí)的時(shí)鐘樹(shù)的說(shuō)明,使用的TCL腳本,DRC、LVS檢查的規(guī)則,都生成了正式的文件,并配以說(shuō)明;時(shí)序分析使用的是Synopsys公司的PrimeTime,有獨(dú)立的腳本,可以直接運(yùn)行;功耗分析使用的是Synopsys公司的PowerCompiler,經(jīng)過(guò)分析也滿(mǎn)足IP核的使用要求。以上IP核標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中所產(chǎn)生的文檔和文件,均使用商用轉(zhuǎn)換器進(jìn)行打包,可以直接解壓縮使用,基本滿(mǎn)足IP核標(biāo)準(zhǔn)化的要求。

2.3 仿真與分析

雙模相關(guān)器IP核的仿真驗(yàn)證手段是多層次的,包括系統(tǒng)級(jí)、RTL級(jí)和FPGA平臺(tái)級(jí)驗(yàn)證。首先是進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真,建立雙模相關(guān)器IP核的modelsim仿真環(huán)境,加以合適的激勵(lì),通過(guò)這組激勵(lì)得到的最終結(jié)果和預(yù)期結(jié)果完全一致,證明雙模相關(guān)器IP核的系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確;其次搭建基于FPGA的原型驗(yàn)證環(huán)境,在原型機(jī)的驗(yàn)證環(huán)境中進(jìn)行實(shí)際仿真測(cè)試,測(cè)試結(jié)果與系統(tǒng)級(jí)仿真相符,即設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,進(jìn)一步證明IP核系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性;最后將可綜合的代碼替代FPGA代碼,進(jìn)行Modelsim的功能仿真,采用的激勵(lì)與FPGA平臺(tái)相同得到結(jié)果也一致,即證明了IP核邏輯設(shè)計(jì)的正確,之后再使用VCS對(duì)代碼進(jìn)行完備的仿真、綜合,產(chǎn)生網(wǎng)表信息,最后對(duì)雙模相關(guān)器進(jìn)行IP化設(shè)計(jì),完成雙模相關(guān)器IP核的設(shè)計(jì)。下面對(duì)雙模相關(guān)器IP核在Modelsim仿真環(huán)境下的邏輯功能仿真進(jìn)行分析,尤其是對(duì)其中重要模塊的波形做重點(diǎn)分析。

雙模相關(guān)器IP核中的all_sat_recvchannels是雙模相關(guān)器中所有通道的集合,是雙模相關(guān)器IP核的主體模塊,包括24個(gè)通道和一個(gè)C碼捕獲模塊,每個(gè)通道就是將輸入碼流解析,產(chǎn)生相關(guān)的IQ兩路數(shù)據(jù)和code碼,送入C碼捕獲模塊進(jìn)行捕獲,在對(duì)每一個(gè)通道的捕獲過(guò)程中,對(duì)輸入的數(shù)據(jù)分為10組進(jìn)行捕獲。其中的test_outc就是捕獲的結(jié)果數(shù)據(jù),C碼捕獲模塊啟動(dòng)信號(hào)Acq_Start是由DSP配置進(jìn)去的,當(dāng)?shù)刂窞槿?時(shí),會(huì)將數(shù)據(jù)總線的最低位(0位)配置為Acq_Start 。進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,50 μ s一次,一共進(jìn)行100次運(yùn)算,將運(yùn)算值存入ram中。存入ram之后進(jìn)行讀取ram,每次讀取20個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果緩存為out_data ;每 50 μ s進(jìn)行 8 次運(yùn)算,一共需要20*50 μ s完成一組數(shù)據(jù)的運(yùn)算。在運(yùn)算到第10次,也就是最后一次運(yùn)算的時(shí)候,會(huì)將運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行比較,得到最大值,并且記錄相應(yīng)的地址。其中WR_Corr_Cnt_20為寫(xiě)ram的次數(shù),1 ms中寫(xiě)20次;NonCoh_Cnt_10為非相干累計(jì)的次數(shù),10次一循環(huán),out_data 為非相干累積結(jié)果,最終在第10次非相干累計(jì)時(shí),將得到的非相干值進(jìn)行比較,在比較結(jié)束后,產(chǎn)生Compare_Done 脈沖將最大值附近的頻譜輸出。仿真結(jié)果得到的最大值是0E02,地址是143D,與使用FPGA原型驗(yàn)證平臺(tái)運(yùn)行相同激勵(lì)得到的結(jié)果,以及與預(yù)期結(jié)果相一致,驗(yàn)證了雙模相關(guān)器IP核設(shè)計(jì)的正確。

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)Galileo和GPS接收系統(tǒng)的兼容,可有效提高衛(wèi)星導(dǎo)航在北半球高緯度地區(qū)的可用性、提高衛(wèi)星導(dǎo)航業(yè)務(wù)的靈敏度、改善衛(wèi)星導(dǎo)航在城市地區(qū)的可用性。因此多種導(dǎo)航定位系統(tǒng)的兼容接收已成為發(fā)展趨勢(shì),但同時(shí)也面臨著挑戰(zhàn),挑戰(zhàn)之一是基于SoC應(yīng)用的雙模相關(guān)器IP核的設(shè)計(jì)。對(duì)Galileo/GPS雙模相關(guān)器IP核進(jìn)行了分析設(shè)計(jì),并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和分析,可為本領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員提供有益的借鑒,同時(shí)也可應(yīng)用于雙模導(dǎo)航定位接收機(jī)中,具有很好的實(shí)用價(jià)值。

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