基于Cortex-M3的北斗二代基帶芯片設計

作者/ 曾楠1 周芝梅2,3 趙東艷2,3 靳嘉楨2,3

　　1.國家電網(wǎng)公司(北京 100031)

　　2.北京智芯微電子科技有限公司 國家電網(wǎng)公司重點實驗室 電力芯片設計分析實驗室(北京 100192)

　　3.北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設計工程技術研究中心(北京 100192)

摘要：我國自主研制的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，日益在經(jīng)濟、軍事和民用領域得到越來越廣的應用。本文提出并設計了基于Cortex-M3處理器的北斗接收機基帶處理芯片，設計了時域頻域二維并行捕獲模塊，同時闡述了基于Cortex-M3處理器的控制流程，包括對捕獲引擎、跟蹤引擎的調(diào)度，電文解調(diào)和定位解算等。本設計最后在FPGA上完成原型驗證，定位結果符合算法預期。

引言

　　中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeIDou Navigation Satellite System,BDS)是中國自行研制的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是繼美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GLONASS)之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。隨著2013年底中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室公布北斗微信導航系統(tǒng)空間信號接口控制文件后，國內(nèi)外陸續(xù)開始推出北斗導航處理芯片。

　　北斗接收機的信號處理包含三大塊內(nèi)容，首先是射頻前端處理，對天線接收下來的信號進行下變頻和A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)成數(shù)字中頻信號輸入。第二部分基帶處理部分對射頻模塊輸入的中頻數(shù)字信號進行數(shù)字信號處理， 主要功能是完成北斗信號的捕獲和跟蹤，這是整個北斗接收模塊最核心的部分。第三部分是導航定位的解算部分和人機接口，為了提高靈活性，這部分一般由CPU執(zhí)行軟件程序來處理。

　　早期導航系統(tǒng)GPS接收機方案多為獨立射頻模塊連接天線接收GPS信號后，射頻輸出的中頻信號輸入FPGA實現(xiàn)的捕獲跟蹤協(xié)處理器，捕獲跟蹤后的數(shù)據(jù)再輸出給一顆外接專用的ARM處理器，完成第三部分的報文接收和定位解算，系統(tǒng)結構如圖1所示^[1-2]。

1 北斗接收機系統(tǒng)

　　隨著嵌入式CPU的蓬勃發(fā)展，導航定位芯片的SoC設計越來越成為可能，集成了嵌入式CPU內(nèi)核的接收機芯片，完成信號的捕獲跟蹤后，導航報文直接由片內(nèi)CPU解析并處理，完成定位解算，運算的結果數(shù)據(jù)按照NME0183格式從串口輸出，同時送出1PPS秒標信號。

　　本設計的北斗接收機系統(tǒng)框圖如圖2所示，射頻模塊將北斗信號接收下來后，經(jīng)過去載波處理和AD采樣，轉(zhuǎn)換為中頻數(shù)字信號，輸入到本設計的基帶處理芯片?；鶐幚砟K主要完成對北斗信號的捕獲、跟蹤處理，然后再由主處理器進行定位解算，輸出解算結果。

2 北斗基帶芯片硬件設計

　　北斗接收機基帶的硬件部分主要包含了ARM Cortex-M3 CPU，負責硬件處理的控制和調(diào)度，還有北斗報文的解調(diào)和定位解算;SoC芯片的一些基本單元包括RAM、FLASH的控制器、看門狗、TIMER、RTC以及串口/SPI/GPIO等基本通信單元;還有基帶芯片最核心的北斗基帶處理部分，實現(xiàn)北斗信號的捕獲和跟蹤處理。

　　2.1 基帶芯片系統(tǒng)架構

　　基于M3的北斗二代基帶處理芯片系統(tǒng)架構如圖3所示，采用ARM Cortex-M3嵌入式CPU， 二級AMBA總線架構;AHB總線的主設備包括CPU和DMA，從設備包括基帶處理模塊、SRAM控制器、SPI FLASH控制器和APB 橋。APB總線上掛的主要是低速外設，包括SPI、串口通信模塊、看門狗、TIMER、RTC和GPIO。

　　Cortex-M3是基于ARMv7-M架構的ARM處理器^[6-7]，采用哈弗架構，3級流水線設計，能用分支預測，有單周期乘法和硬件觸發(fā)功能。 Thumb2指令集結合非對齊數(shù)據(jù)存儲和原子位處理等特性，能以8位、16位器件所需的存儲空間實現(xiàn)32位性能。內(nèi)置的嵌套向量中斷控制器實現(xiàn)低延遲的中斷處理，Cortex-M3處理器是追求低成本、低功耗和高能效的應用場景理想的CPU。M3包含三條總線，指令總線、數(shù)據(jù)總線和系統(tǒng)總線^[8-9]，與DMA共同為芯片AHB總線的主設備。

　　ARM CPU對跟蹤和捕獲模塊的控制主要包括對星號、頻點的設置，設置門限、捕獲靈敏度和頻率搜索范圍，根據(jù)捕獲結果配置跟蹤通道、載波和碼頻率等。

　　2.2 捕獲跟蹤模塊設計

　　導航信號處理模塊的功能，主要包括生成本地載波和C/A碼，接收輸入的數(shù)字中頻信號，對衛(wèi)星信號進行捕獲和跟蹤^[4-5]。

　　北斗信號采用直接序列擴頻方式(DSSS)對調(diào)制數(shù)據(jù)進行擴頻，信號的CA碼速率為2.046Mbps，碼長2046[3]。捕獲模塊接收到數(shù)字中頻信號后，與本地NCO生成的載波信號相乘，得到基帶信號。基帶信號經(jīng)過降采樣濾波器后得到4M采樣率的基帶信號(接近CA碼的半碼片速率)。然后將此基帶信號與本地生成的相同采樣率的偽碼，同時輸入匹配濾波器組，從而完成對導航數(shù)據(jù)的解擴，這個過程叫偽碼捕獲。由于北斗衛(wèi)星與接收機之間具有相對速度，所以存在多譜勒頻移。要得到衛(wèi)星信號中的導航數(shù)據(jù)，必須獲取到衛(wèi)星信號的多普勒頻移的數(shù)值。這個過程叫頻率捕獲。所以，北斗信號的捕獲是一個偽碼和頻率的二維捕獲過程，捕獲的目的就是使本地載波和接收到的信號載波頻率基本一致，并且使本地復現(xiàn)偽碼和接收到的衛(wèi)星信號的碼速率基本一致，碼相位差小于一個碼片寬度，從而實現(xiàn)本地信號與中頻輸入信號的粗同步。

　　本設計采用的是短時匹配濾波器組結合FFT的捕獲結構，短時匹配濾波器將總的相干積分時間Tcoh分成等間隔的M段，每段積分時間為Tcoh/M。短時相關結合FFT的捕獲過程為：降采樣至4MHz的數(shù)字中頻信號進入匹配濾波器組，與本地生成的相同采樣率的偽碼做相關，得到M個短時相關值;同時，對輸入信號進行半碼片平移，然后繼續(xù)相關，直到1ms后得到Mx2046個短時相關值，完成碼域的全并行搜索。然后對每個碼相位上的M個短時相關值做FFT運算，得到其中的頻域信息，實現(xiàn)頻域的并行搜索。

　　整個捕獲功能模塊如圖4所示，主要包括數(shù)字下變頻、載波發(fā)生器、去載波電路、降采樣電路、碼發(fā)生器、匹配濾波器陣列、相干/非相干累加模塊和捕獲引擎控制等模塊。

　　跟蹤模塊的結構與捕獲模塊類似，只是基于捕獲模塊的粗同步信息，跟蹤模塊可以對衛(wèi)星信號進行更精細的C/A碼和頻率跟蹤。

3 基帶芯片軟件設計

　　Cortex-M3 CPU作為基帶芯片的主設備模塊，首先完成芯片的啟動和初始化，后續(xù)執(zhí)行的軟件按照功能主要分為兩部分，一是對捕獲跟蹤模塊的控制調(diào)度，具體工作流程如圖5所示。先根據(jù)需要捕獲的星號對捕獲模塊進行相關參數(shù)的配置，啟動捕獲過程;接收到捕獲完成中斷后，根據(jù)捕獲結果，判決是否成功捕獲，并繼續(xù)配置捕獲下一顆衛(wèi)星或者更換配置參數(shù)重新捕獲本顆衛(wèi)星;根據(jù)捕獲成功得到的碼相位和多普勒頻偏值，配置相應衛(wèi)星的跟蹤通道，啟動衛(wèi)星的信號跟蹤。

　　當跟蹤通道成功跟蹤4顆以上衛(wèi)星后，可以對相應衛(wèi)星的導航電文進行解調(diào)，然后根據(jù)獲得的導航電文進行定位解算。

4 總結

　　本文設計的北斗基帶處理芯片，內(nèi)嵌ARM Cortex-M3 CPU，集成了北斗的捕獲模塊和16路北斗跟蹤模塊。通過ARM CPU的軟件調(diào)度，本設計完成導航信號的捕獲和跟蹤，并由M3完成報文的解調(diào)和定位解算，最后通過串口輸出定位信息。該設計最后在Xilinx FPGA Kintex-7系列xc7k325t上實現(xiàn)原型測試，對北斗B1信號實現(xiàn)了成功捕獲和跟蹤，定位精度也能符合應用需求。

　　參考文獻：

　　[1]邢增強,李金海,梁華慶,等.基于ARM+FPGA的GPS接收機設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011.

　　[2]劉競超,鄧中亮.基于ARM+FPGA北斗接收機設計[J].軟件，2012.

　　[3]中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號接口控制文件

　　[4]李金海.高動態(tài)GPS接收機基帶算法研究與設計[D].北京:中國科學院研究生院,2007.

　　[5]廉保旺,劉慧紅,毛得明.基于匹配濾波器和FFT的偽碼快速捕獲方法及性能分析[J].測控技術,2009.

　　[6]ARMv7-M Architecture Reference Manual ARM Limited.

　　[7]ARMv7-M Cortex-M3 User Guide Reference Material ARM Limited.

　　[8]Cortex-M3 Technical Reference Manual ARM Limited.

　　[9]Cortex-M3 Integration and Implementation Manual ARM Limited.

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第59頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。