基于PicoBlaze的GPS信號數據解調設計與實現*

胡永春 歐 鋼 張 建 陳 亮

(國防科技大學電子科學與工程學院衛星導航定位研發中心 長沙 410073)

1 引言

全球定位系統(GPS)是基于衛星星座的導航定位系統。對用戶而言,GPS應用的關鍵設備是能夠捕獲、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收機[1]。如何優化接收機的各個組成部分,設計出低成本、高性能的接收機一直是人們關注的重點。

如圖1所示為接收機示意圖,GPS天線感應包括多顆衛星信號在內的各種電磁場信號,射頻前端將這些信號濾波放大后輸出數字中頻信號進入基帶處理模塊,基帶處理模塊通常采用信號通道的形式,即每個通道各自捕獲、跟蹤和測量一顆不同衛星的信號,輸出導航電文和GPS測量值。全部 N個通道輸出的有效電文和測量值一起輸入定位終端進行導航定位解算[2]。

圖1 接收機內部信號通道

數據解調是指在完成GPS信號的捕獲和跟蹤后,根據跟蹤環路輸出的相關值解調出導航電文的過程,包括位同步、幀同步、奇偶校驗和電文譯碼四個步驟。本文主要討論GPS信號數據解調電路的優化設計。

2 數據解調算法概述

2.1 位同步

如圖1所示,信號通道中的載波跟蹤環路輸出碼速率為1000bps的二進制數,而GPS衛星導航電文的碼速率為50bps,因此要恢復導航電文,就必須找到每個導航電文數據位在載波跟蹤環路輸出的二進制數據串中的起始位置,并將從該位置開始的20個連續的二進制數合并成一個導航電文數據位,這個過程稱為位同步。

位同步最常用的方法是直方圖法,該方法統計20個假定的位邊界下的符號翻轉的次數。當其中某個假定的位邊界的統計次數明顯大于其它位置時,則認為該位置即為正確的位邊界。由于該方法只使用了準時相關通道同相支路的相關累加值的符號位,因此在低載噪比時,其檢測性能會急劇下降。文獻[3]介紹的分段累加的思想采用分段相關-視頻積累的方法,計算各種可能的位邊界下,I支路的相關值與二級調制碼的分段相關-視頻積累值,并選擇使該值達到最大時的位邊界作為正確的位邊界。該方法相比直方圖法能提高檢測性能,減少位同步錯誤,故本文采用該方法進行位同步操作。

2.2 幀同步

GPS導航電文的格式為:每幀導航電文長1500比特,依次由5個子幀組成,每個子幀長300比特,依次由10個字組成,每個字長30比特,且每個子幀的第一字的前8比特固定為同步碼10001011。載波跟蹤環輸出的二進制數據串在經過位同步之后解調出碼速率為50bps的數據比特流,幀同步就是根據同步碼確定子幀幀頭位置并將這些數據比特按GPS導航電文格式每30個比特組成一個字的過程。

GPS導航電文的同步引導碼—巴克碼的特點是只有當完全匹配時,才有較大的相關值,否則其值很小。巴克碼的這種特性十分適合用于幀同步。本地生成一個預定的巴克碼與接收到的信息進行相關,若相關值達超過門限,則可判定找到了幀頭。

2.3 奇偶校驗和電文譯碼

在幀同步完成后,就可以按照GPS界面控制文件[4]中規定的奇偶校驗方式和導航電文的格式對數據進行校驗和譯碼,輸出導航電文信息了。

3 數據解調方案設計

如圖2所示為我們設計的GPS接收機的數字部分的硬件結構,利用現場可編程門陣列器件(FPGA）進行基帶處理,具有 12個信號通道,能同時對12路GPS信號進行捕獲、跟蹤,完成信號的解擴解調。利用ARM處理器進行終端處理,實現最后的定位解算,并輔助基帶處理部分完成信號的捕獲、跟蹤、解擴解調等操作。

3.1 實現方式

基于圖2所示的接收機數字部分硬件結構,GPS信號數據解調的實現方式有三種,第一種是硬件方式:在基帶處理部分用FPGA實現;第二種是軟件方式:在終端處理部分用ARM處理器實現;第三種是軟硬件結合:在基帶處理部分用硬件實現位同步,而將幀同步、奇偶校驗和電文譯碼過程在終端處理部分用軟件實現。三種方案的優缺點如表1所示。

表1 數據解調實現方式比較

從表1對數據解調的三種實現方式的優缺點的分析比較可知,由于同時對12路GPS信號進行數據解調涉及復雜的狀態控制和大量的邏輯計算,ARM處理器能很方便地實現復雜的狀態控制,用FPGA以硬件方式來實現邏輯計算則具有實時性高,占用資源小的優點。上述三種方式各有優勢,但也各具有明顯的缺點,沒有有效地結合處理器進行狀態控制和硬件進行邏輯計算兩者的優勢。

表1中的第三種方式即軟硬件結合的方式根據GPS信號的處理流程將數據解調分解為位同步、幀同步、奇偶校驗和電文譯碼,其中位同步在FPGA中硬件實現,而幀同步、奇偶校驗和電文譯碼則在ARM處理器中軟件實現,這種方式在一定程度上結合了軟件實現和硬件實現的優點,但由于劃分過于簡單,而且位同步和幀同步、奇偶校驗、電文譯碼分別在FPGA和ARM處理器中實現,增加了FPGA與ARM 處理器的交互,設計復雜,功耗較高,并不是最優方案,將位同步、幀同步、奇偶校驗和電文譯碼都用FPGA實現,采用嵌入式處理器加專用加速硬件的結構,由嵌入式處理器進行狀態控制,專用硬件進行邏輯計算,則可以充分利用兩者的優勢,設計出比上述三種方式都加優化的GPS信號數據解調電路。

3.2 嵌入式處理器選型

GPS信號數據解調方案中的嵌入式處理器的選擇非常關鍵,處理器的速度、面積、性能將直接決定整個數據解調電路的軟硬件劃分,影響軟硬件協同設計,在資源緊張的情況下,還將影響基帶處理部分的捕獲、跟蹤功能的實現。

表2 Xilinx主要的嵌入式處理器及其特性

表2列出了Xilinx主要的嵌入式處理器,PowerPC硬核處理器由于集成在Virtex系列FPGA中,成本過高,不宜采用。MicroBlaze是32位高性能處理器,盡管性能優異,但是由于數據解調電路的狀態控制部分并不是非常復雜,選用MicroBlaze處理器反而會增加系統的功耗、占用過多的資源,所以不適合數據解調電路。

PicoBlaze是英國的 Ken Chapman開發的8位可編程定序器,由A LU、程序計數器棧(使用于嵌套子程序)、16個8位寄存器、64字節暫存器、程序計數器和控制器以及中斷支持電路構成。具有集成的圖形開發環境和c編譯器,多個成熟穩定的開發實例。作為嵌入式定序器,該器件非常適用于控制靈活性快速超過傳統HDL表達的應用,其實用特性包括極低的資源占用率(1個18KB BRAM和96個Spartan-3邏輯片)和每條指令確定的兩個時鐘執行周期[5]。特別適合作為數據解調電路中的嵌入式處理器。

4 基于PicoBlaze的數據解調

4.1 硬件結構

由于PicoBlaze的代碼容量有限,僅為1024行代碼,為了充分發揮PicoBlaze處理器在狀態控制方面的優勢,于是將位同步和幀同步過程中的大量相關運算以及GPS校驗譯碼設計成專用硬件,加速邏輯運算,同時PicoBlaze控制12個通道以分時復用的方式調度專用硬件,提高專用硬件的利用效率。

GPS信號數據解調的硬件整體結構如圖3所示,包括PicoBlaze處理器、總線譯碼模塊、外部總線接口、數據存儲器、數據相關器和GPS譯碼模塊。

圖3 硬件結構

PicoBlaze處理器模塊通過總線譯碼模塊可以訪問本模塊內的各個子模塊以及外部的12個跟蹤通道。通過在處理器上運行的軟件調度其它模塊工作,完成位同步、幀同步、奇偶校驗和電文譯碼等操作。數據存儲器為每個通道分配了相應的存儲空間,供PicoBlaze運行軟件時存儲與各個通道有關的數據,以及存儲外部微處理器可以通過外部總線讀取的導航電文。數據相關器用于在位同步和幀同步過程中加速相關運算的實現。GPS譯碼模塊對1個字(30bit)的GPS導航電文進行奇偶校驗和電文譯碼,輸出校驗結果和譯碼后的電文。

4.2 軟件流程

PicoBlaze軟件總的處理流程如圖4所示。根據數據解調的信號處理流程,將數據解調大致分為IDLE、位同步、幀同步和電文輸出四個狀態,其中在IDLE狀態時PicoBlaze閑置,電文輸出階段完成奇偶校驗和電文譯碼,工作時,首先進行通道輪詢,然后根據該通道的狀態寄存器進入相應的狀態分支,在每個狀態分支中調用相應的專用硬件完成該狀態的處理后退出,進行下一個通道的處理。

通過劃分狀態和通道輪詢,軟件部分以分時復用的方式與專用硬件緊密配合完成與12個跟蹤通道的數據交互以及每個通道的位同步、幀同步和電文譯碼等任務,程序模塊化設計方便,結構優化,代碼的可讀性和可維護性良好。

圖4 軟件流程

5 測試

圖5 測試

在實際測試中,搭建如圖5所示的驗證平臺,利用GPS信號源產生信號進行測試,射頻前端將射頻信號轉換為中頻信號,數據解調模塊作為GPS基帶處理模塊的一個子模塊,負責解調經過捕獲和跟蹤后的GPS信號,PC端接收基帶處理模塊輸出的的導航電文,并將其與GPS信號源播發的電文進行比對,測試結果表明設計方案有效,12個通道均正確輸出導航電文。

6 結語

在GPS信號基帶處理中,同時對12路GPS信號進行數據解調狀態控制復雜、邏輯計算量大。采用PicoBlaze處理器加專用硬件的結構,由嵌入式處理器完成狀態控制,專用硬件實現邏輯計算、加速處理速度。通過時分復用的方式使12路信號共用一個解調電路,軟件開發靈活、硬件邏輯簡單、占用資源少、電路利用效率高。通過實際測試表明,硬件正常工作,12個通道均正確解調導航電文。

[1]廖晰,張曉林,王宇恒.GPS信號捕獲跟蹤環路的研究及實現[J].電子測量技術,2009,32(2):36

[2]謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京:電子工業出版社,2009,7:238

[3]M.Kokkonen,S.Pietila.A New Bit Synchronization Method for a GPS Receiver[C]∥Proc.of the IEEE Position Location and Navigation Sym posium.Pa lm Springs.CA,2002:85～90

[4]INTERFACE SPECIFICATION IS-GPS-200.U.S.A.2004,12:134

[5]隱藏的珍寶:PicoBlaze IP[J].賽靈思中國通信,2009(32):24