基于ARM＋FPGA的GPS接收机设计

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基于ARM +FPGA的GPS接收机设计
邢增强 ，李金海 ，梁华庆。，汪峰 ，阎跃鹏
(1．中国科学院微电子研究所。北京100029；2．中国石油大学，北京102249)
摘要：针对GPS接收机在民用和军事领域的重要应用，设计了一种基于ARM+FPGA的GPS接收机。
接收机的射频前端采用GP2015芯片，基带处理部分采用ARM9内核的AT91SAM9261芯片和Cyclone II
系列的EP2C70F67218芯片。同时阐述来接收机的软件设计，包括捕获引擎、跟踪引擎、解凋电文，定位解
算等。该接收机通过现场实验定位精度为6m(经度)／8m(纬度)，动态性能达2000m／s，可以实现高动态
导航定位，同时体积小，功耗低。
关键词：GPS接收机；AT91SAM9261；EP2C70F67218；GP2015
中图分类号：TN967 文献标识码：B 文章编号：1000-9787(2011)07-00108-03
Design of a GPS receiver based on ARM and FPGA
XING Zeng—qiang。
， 。LI Jin．hai ，LIANG Hua qing。
， WANG Feng ，YAN Yue—peng
(1．Institute of Microelectrinoics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China；
2．China University of Petroleum，Beijing 102249，China)
Abstract：The GPS receiver based on ARM and FPGA is designed for civilian and military application．The
GP2015 chip is used as the receiver’s RF front—end．The AT91SAM9261 chip based on ARM9 core and The
Cyclone II seriers EP2C70F67218 chip are used as the base—band processing part．Also the receiver’S software
design is explained，including the capture engine，tracking engine，demodulation messages，and position resolution．
Through the field test，the receiver’S positioning precision is 6m(1ongitude)／8m (1atitude)，and the dynamic
performance is 2000m／s．The receiver can achieve high dynamic navigation and positioning．It has small size，low
power consumption．
Key words：GPS receiver；AT91SAM9261；EI>2C70F67218；GP2015
0 引 言
全球定位系统(global positioning system，GPS)是迄今
为止应用最广泛的导航定位系统，它在民用和军用方面均
发挥着巨大作用。在民用领域主要应用于智能交通、通信、
海事、地质勘查等，同时，现代化的军事战争更离不开导航
定位系统。因此，开发GPS接收机具有重大的现实意
义 ]。
本文介绍了一种GPS接收机的设计方案，该方案采用
Zarlink公司生产的GP2015芯片作为接收机的射频前端，
基带部分采用Atmel公司的ARM9内核芯片Aq~91SAM9261
和Ahera公司的Cyclone II系列的EP2C70F67218芯片。
AT91SAM9261芯片体积小，功耗低，性能高，执行速度快。
EP2C70F672I8芯片资源丰富，可实现大规模数据并行处
理，同时又包含较多的片内RAM，方便实现相干累加和非
相干累加 。
收稿日期：2010-09-28
基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2009AA12Z314)
1 接收机的组成
接收机的组成可以按照功能划分为两部分：射频部分
和基带处理部分。射频部分主要是完成GPS信号的接收、
下变频及采样的功能。基带处理部分主要是完成GPS信
号的跟踪、捕获，解算导航电文及定位处理 。
2 接收机硬件设计
GPS接收机的总体结构如图1。
图1 GPS接收机的总体结构图
Fig 1 Overall structure of GPS receiver
第7期 邢增强，等：基于ARM+FPGA的GPS接收机设计 109
2．1 射频部分的硬件设计
天线接收的卫星信号为1 575．42 MHz，射频的天线馈
线阻抗为5OQ。为了更好地解决天线中高频信号的于扰
问题，采用Zarlink公司生产的GP2015芯片，该芯片集成了
频率合成器、混频器、自动增益控制电路以及数字量化单
元。接收的信号频率为L1载波GPS信号。主要应用于
C／A码的GPS接收机的设计。
GP'2015利用PLL频率合成器产生三级本振信号，
频率依次为1．400，140，31．1l MHz。然后，将GPS
I 575．42 MHz高频信号与本振信号进行混频，进行三级
下变频，产生4．309 MHz的中频信号 J。射频前端的三
级变频原理如图2。
图2 射频前端三级变频原理图
Fig 2 Principle diagram of three-level frequency conversion
0fRF front．end
接着，对4．309 MHz的中频信号进行数字量化，在
5．714MHz采样时钟的控制下，为基带处理提供1TrL电平
的2位量化输出。
2．2 基带部分的硬件设计
基带部分的硬件电路主要包括：ARM控制电路、FPGA
控制电路、存储电路及相关辅助电路。基带硬件电路的结
构如图3。
图3 基带硬件电路结构图
Fig 3 Structure diagram of base-band hardware circuit：
ARM 控制部分电路采用ARM9 内核芯片
AT91SAM9261芯片，晶振选取18．432 MHz，通过倍频后芯
片的工作频率为198 MHz” ；SDRAM采用HY57V643220
芯片，该芯片为4Banks×512 k×32 bits；FLASH采用
AT45DB321D芯片，该芯片为512 bytes／page×8192pages；
FPGA控制部分采用EP2C70F67218。
ARM与FPGA交互的控制信号主要有星号、频点设
置、门限设置、捕获灵敏度设置、搜索频率范围设置、跟踪状
态设置、跟踪通道、载波、码频率更新、捕获、跟踪引擎工作
状态、跟踪通道累加值、跟踪通道测量值。
3 接收机软件设计
GPS接收机的软件设计主要是指基带处理模块的软件
设计，根据功能不同将软件设计分成两部分：第1部分是信
号处理与定位解算模块，该部分是ARM完成总体控制，解
调导航电文，进行定位解算，完成定位结果的输出与中断的
产生等；：第2部分是协处理模块，该部分是FPGA完成捕
获引擎和跟踪引擎。
3．1 信号处理与定位解算模块
在GPS接收机的基带处理中，ARM作为主设备，FPGA
作为从设备，由ARM完成对FPGA的配置，同时从FPGA
中读出所需要的测量参数，从而完成初始化配置、跟踪控制
以及定位解算。ARM的工作流程图如图4。
跟踪
失败
捕获
失败
图4 ARM 工作流程图
Fig 4 W orking flow chart of ARM
3．2 协处理模块
在基带系统中，FPGA是作为高动态GPS接收机基带
协处理器的，其主要功能模块包括：捕获引擎和跟踪引擎。
FPGA作为协处理器是ARM 的从端，在ARM 的控制下完
成捕获和跟踪的功能。
GPS信号的捕获是一个本地信号与接收信号粗同步的
过程，包括对载波多普勒频率和码起始相位的搜索。捕获
引擎根据ARM的配置要求完成对卫星信号的搜索、捕获，
并完成从捕获到跟踪的转换过程。捕获引擎中主要包括时
钟发生器、伪码数字控制振荡器(码NCO)、载波数字控制
振荡器(载波NCO)、载波发生器、匹配滤波器、相于累加模
块、非相干累加模块以及检测器等模块。
接收机完成对卫星信号的捕获后，实现了本地载波和
C／A码的粗同步，此时如果直接进行定位解算，那么，解算
出的结构误差较大且不稳定。因此，需要通过跟踪环路持
续调整本地伪随机码和载波信号的产生，使得本地载波和
1l0 传感器与微系统 第3O卷
伪随机码信号与接收信号完全同步。跟踪过程包括：GPS
信号的下变频、相关解扩、载波跟踪、伪码跟踪等操作。
4 实验结果
搭建实弹测试环境，将该接收机做必要的屏蔽处理后，
安装在弹道中，在地面旋转实弹设备，模拟实弹飞行过程中
的动态环境。监测接收机的定位精度、定位时间及相应的
功耗。通过现场实弹测试，实验数据如表l。
表1 现场实验数据
Tab 1 Data forfield test
性能参数 数值
功耗(w)
定位时间(S)
定位精度(m)
动态性能(m／s)
体积(mm3)
跟踪状态1．5
峰值状态2．o
冷启动 35
热启动 1
经度 6
纬度8
2000
50×80×15
5 结论
本文设计的GPS接收机的射频前端采用GP2105芯
片，对GPS信号的C／A码进行下变频、采样等处理。基
带处理部分采用ARM芯片和FPGA芯片的组合方式，
ARM芯片运行速度快，执行效率高，同时体积小，功耗
低。FPGA芯片硬件资源丰富，可以实现大规模的数据
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够满足高动态接收机的性能要求，同时，该接收机体积
小，功耗低。
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程建华(1977一)，男，山东莱阳人，工学博士，副研究员，从事
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2014-9-29 20:02 上传

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