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(diǎn)實(shí)驗室 電力芯片設計分析實(shí)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(shù)研究中心(北京 100192)

摘要：我國自主研制的北斗衛星導航系統，日益在經(jīng)濟、軍事和民用領(lǐng)域得到越來(lái)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(shí)域頻域二維并行捕獲模塊，同時(shí)闡述了基于Cortex-M3處理器的控制流程，包括對捕獲引擎、跟蹤引擎的調度，電文解調和定位解算等。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

　　中國北斗衛星導航系統(BeIDou Navigation Satellite System,BDS)是中國自行研制的衛星導航系統，是繼美國全球定位系統(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統(GLONASS)之后第三個(gè)成熟的衛星導航系統。隨著(zhù)2013年底中國衛星導航系統管理辦公室公布北斗微信導航系統空間信號接口控制文件后，國內外陸續開(kāi)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容，首先是射頻前端處理，對天線(xiàn)接收下來(lái)的信號進(jìn)行下變頻和A/D轉換，轉成數字中頻信號輸入。第二部分基帶處理部分對射頻模塊輸入的中頻數字信號進(jìn)行數字信號處理， 主要功能是完成北斗信號的捕獲和跟蹤，這是整個(gè)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執行軟件程序來(lái)處理。

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

1 北斗接收機系統

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

　　本設計的北斗接收機系統框圖如圖2所示，射頻模塊將北斗信號接收下來(lái)后，經(jīng)過(guò)去載波處理和AD采樣，轉換為中頻數字信號，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(jìn)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度，還有北斗報文的解調和定位解算;SoC芯片的一些基本單元包括RAM、FLASH的控制器、看門(mén)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(shí)現北斗信號的捕獲和跟蹤處理。

　　2.1 基帶芯片系統架構

　　基于M3的北斗二代基帶處理芯片系統架構如圖3所示，采用ARM Cortex-M3嵌入式CPU， 二級AMBA總線(xiàn)架構;AHB總線(xiàn)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(xiàn)上掛的主要是低速外設，包括SPI、串口通信模塊、看門(mén)狗、TIMER、RTC和GPIO。

　　Cortex-M3是基于A(yíng)RMv7-M架構的ARM處理器^[6-7]，采用哈弗架構，3級流水線(xiàn)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據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(shí)現32位性能。內置的嵌套向量中斷控制器實(shí)現低延遲的中斷處理，Cortex-M3處理器是追求低成本、低功耗和高能效的應用場(chǎng)景理想的CPU。M3包含三條總線(xiàn)，指令總線(xiàn)、數據總線(xiàn)和系統總線(xiàn)^[8-9]，與DMA共同為芯片AHB總線(xiàn)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(diǎn)的設置，設置門(mén)限、捕獲靈敏度和頻率搜索范圍，根據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，接收輸入的數字中頻信號，對衛星信號進(jìn)行捕獲和跟蹤^[4-5]。

　　北斗信號采用直接序列擴頻方式(DSSS)對調制數據進(jìn)行擴頻，信號的CA碼速率為2.046Mbps，碼長(cháng)2046[3]。捕獲模塊接收到數字中頻信號后，與本地NCO生成的載波信號相乘，得到基帶信號?；鶐盘柦?jīng)過(guò)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(shí)輸入匹配濾波器組，從而完成對導航數據的解擴，這個(gè)過(guò)程叫偽碼捕獲。由于北斗衛星與接收機之間具有相對速度，所以存在多譜勒頻移。要得到衛星信號中的導航數據，必須獲取到衛星信號的多普勒頻移的數值。這個(gè)過(guò)程叫頻率捕獲。所以，北斗信號的捕獲是一個(gè)偽碼和頻率的二維捕獲過(guò)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，并且使本地復現偽碼和接收到的衛星信號的碼速率基本一致，碼相位差小于一個(gè)碼片寬度，從而實(shí)現本地信號與中頻輸入信號的粗同步。

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

　　整個(gè)捕獲功能模塊如圖4所示，主要包括數字下變頻、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(lèi)似，只是基于捕獲模塊的粗同步信息，跟蹤模塊可以對衛星信號進(jìn)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(dòng)和初始化，后續執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度，具體工作流程如圖5所示。先根據需要捕獲的星號對捕獲模塊進(jìn)行相關(guān)參數的配置，啟動(dòng)捕獲過(guò)程;接收到捕獲完成中斷后，根據捕獲結果，判決是否成功捕獲，并繼續配置捕獲下一顆衛星或者更換配置參數重新捕獲本顆衛星;根據捕獲成功得到的碼相位和多普勒頻偏值，配置相應衛星的跟蹤通道，啟動(dòng)衛星的信號跟蹤。

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

4 總結

　　本文設計的北斗基帶處理芯片，內嵌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(guò)ARM CPU的軟件調度，本設計完成導航信號的捕獲和跟蹤，并由M3完成報文的解調和定位解算，最后通過(guò)串口輸出定位信息。該設計最后在Xilinx FPGA Kintex-7系列xc7k325t上實(shí)現原型測試，對北斗B1信號實(shí)現了成功捕獲和跟蹤，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A(yíng)RM+FPGA的GPS接收機設計[J].傳感器與微系統，2011.

　　[2]劉競超,鄧中亮.基于A(yíng)RM+FPGA北斗接收機設計[J].軟件，2012.

　　[3]中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件

　　[4]李金海.高動(dòng)態(tài)GPS接收機基帶算法研究與設計[D].北京:中國科學(xué)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(shù),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(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第10期第59頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。