基于ARM+FPGA北斗接收机设计

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软件2012 年第33 卷第12 期国际IT 传媒品牌
基于A R M + F P G A 北斗接收机设计
刘竞超, 邓中亮
(北京邮电大学电子工程学院, 北京100876 )
摘要: 作为新一代卫星导航系统, 北斗卫星导航系统是我国自主研制的全球卫星定位与通信系统"随着北斗系统的逐步改进
和完善以及我国经济! 军事! 民用等各方面需求的不断加强, 北斗系统将具有更多和更广泛的应用领域"本文在了解卫星导航原
理的基础上, 介绍了一种基于A R M 十FP G A 架构的导航接收机系统, 分别介绍了接收机的硬件系统架构和软件系统架构: 接收机的
射频前端采用SE 41 20 芯片, 基带处理部分采用A K M g 内核的AT 91 SA M gG 20 芯片和c yC10ne 11 系列的E P3 c1 20 F484 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"
关键词: 卫星导航; A R M +FP G A ; 接收机; 北斗
中图分类号: 说49.32 文献标识码: A D O I: 10.3969内issn.lo 3一6970.2012.12.010
D e sig n o f B D re ee iv er b a se d on A R M a n d F P G A
L IU J in g一e h ao , D E N G Z ho n g 一lian g
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[ A b str aet] A s an ad van eed P ositio nin g an d n av ig ation teehni que , B D sat ellite n avigatio n sy stem 15 a g lo ba l po sitio ning satellite
e o m 咖eat io n sy stem in d e P en d e n tly d e v e lo P ed b y C h in a . Th e B D s y ste m g ra d u a lly imP ro v e an d P e r fe e t. W ith th e e o n tin u o us imP ro v in g
an d stre n g th emn g o f C h in a ,5 e eo no 而e , m ilita ry i a n d o th er e iv ilian d e m an d , th e B D sy ste m w ill h a v e a wi d e r ran g e o f ap P lieat io n are a s .
T h e S E 4 12 0 e h iP 15 u se d a s th e r e e e iv e r .s 补fr o n t一e n d . T h e AT g l S A M g G 2 0 e h iP b a s e d o n A R M g e o re a n d T h e C y e lo n e 1 11 s er ie s
E P 3 C 1 2 0 F 4 84 e h iP are u se d a s th e b as e一b an d P ro e e s sin g P art . A 刀d th e re e e iv e r .s so fi w are d e sign is e xP lam ed , in e lud in g th e e a P tu r e e n g in e ,
仃a c ki n g e n g ln e , d e m o d u lat io n m e ssag e s, an d P o sitio n re s o lu tio n .
[K ey w o rd s1 sat ellite n av ig at ion ;A R M 十F P G A ;re eeiver;B D
O 引言
全球导航卫星系统(G 10b al N a vi g at10 n Sa te ili te S邓tem
G N S )为全球性的位置与时间测定系统, 包括卫星星座! 地面
监控系统及用户终端设备, 可为地球表面! 近地表和地球外空
任意地点用户提供全天候! 实时! 高精度的三维位置! 速度以
及精密的时间信息[l] " 美国的G P S , 欧洲的G al j8印, 俄罗斯的
G L O N A S 和中国的B D 都属于G N S 的一种"
北斗卫星导航系统是我国自主研发的新一代卫星导航系统,
是继美国的G P S 和俄罗斯的G L O N A S 之后第三个比较成熟的
卫星导航系统" 系统由三部分组成: 空间部分! 地面控制部分!
和用户接收部分, 可以在全球范围内全天候! 全天时为用户提
供高精度的可靠定位! 导航! 授时服务, 与其他系统不同的是
它还具有短报文通信能力, 目前已经具备初步的区域服务能力,
而且预计在2020 年实现全球定位服务能力lz]o
本文介绍了一种北斗定位接收机的设计方案, 本方案基
带部分采用A tm el公司的A R M g 内核芯片A T9 1SA M gG 20 和
A lte ra 公司的E P 3 C 120 系列芯片"A T g lS A M gG 20 芯片功耗低,
性能强, 最大主频达到40 M H 尹]; EP 3C 120 系列芯片资源丰富,
可以实现大规模的数字信号处理工作"
1 北斗接收机的组成
接收机的内部结构根据工作流程的先后顺序, 通常分为射
频前端! 基带数字信号处理和定位导航运算三大功能模块"接
收机的架构如图l"
射频前端处理模块的作用是将接收到的卫星信号从高频下
变频到基带, 由于卫星与接收机之间的相对运动会产生多普勒
效应, 使接收到的导航信号的载波频率发生偏移, 所以射频前端
要将接收信号从射频前端下变频到近基频, 而不是真正的基带]lo.
基带数字信号处理模块: 作用是处理射频前端所输出的数
字中频信号, 从中获得导航信号的伪距和载波相位等测量值,
解调出对应的导航电文"
定位导航功能模块: 接收到基带信号处理模块传送过来的
各通道的伪距!多普勒频移!和载波相位等测量值以及导航电文,
作者简介: 刘竞超(1987 一) , 男, 在读研究生, 研究方向: 卫星导航
通信联系人: 邓中亮, 教授, 主要研究方向: 无线网定位导航等.
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天线
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测量值! 导航电文
射频前端处理
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基带处理
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定位导航处理
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图l 接收机架构图
F jg .1 R a 刀Iv er a re址tec tUr e
通过对这些信息的处理, 解算出用户的当前位置! 速度和时间
信息, 完成定位导航"
2 接收机的硬件设计
2.1 射频模块设计
北斗导航系统B l 频点标称频率为巧61 .09 8M H z , 射频前
端选用SI Ge 公司的S E4 120 "SE4 12 O 片上集成一个L N A , 一个
带线性A G C 的中频(IF ) 接收器! 一个先进的带串口输出的多
位I/ Q 模数转换器, 接收器还集成一个镜像抑制混频器, 在很
多的应用中不需SA W 滤波器"SE4 12 0 内置的中频滤波器带宽
可从2.2M H z (仅G PS 应用) 调整为4 .4M H z (同时接收GP S
和G N S 信号) "S E4 12 O 高集成的P L L 外围只需两个无源元件,
组成一个环路滤波器, 实现最优化的低功耗和非常少的外围元
件配置"
丫
图3 基带模块架构图
F馆.3 T lle b aseb an d m od ul e
A R M 芯片采用A tm e l 公司的A R M g 内核芯片
A T9 1S A M g G 20 , 片内有64 K B 的S R A M 和麟K B 的R O M ,
为了保证接收机的处理速度, 将工作频率设定为最大的
40() M H z ; S D R A M 选用M T4 8L C 16M 16A Z 芯片, 该芯片为
4M x 16x 4 B a n k s ; F L A SH 选用A T M 王L 公司的A T4 5D B 64 2D ,
该芯片为64 M bit, 8192p眼e(1024 / 1056 byt es /那罗); FPG A 选
用A lte ra 公司的EP 3C 120F 484, 片内集成有两个P LL , 119088
的逻辑单元"
A R M 和FPG A 芯片之间有32 根数据线, 12 根地址线和控
制线I,
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时钟
量化和
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采样时钟
图2 射频模块架构图
F馆.2 R F m od ul e
射频模块输出有两种模式: 脉冲输出和字节输出"输出的
信号包括时钟信号(时钟频率为16 .384 M H z) , 数据信号和I!
Q 同步信号, 输出的B of fer 可适应调节以驱动大多数基带设备"
2 .2 基带模块设计
基带部分的主要电路包括: A R M 芯片及控制电路! F PG A
芯片及控制电路! 存储芯片电路! 电源电路及相关辅助电路"
基带硬件电路结构图如下:
图4 A R人1 和F P G A 接口图
F 馆.4 A R M a n d F P G A in te rf ace
在接收机与上位机交互部分, 采用串口与计算机连接, 通
讯的波特率选用1 152 0 , 将定位信息传输给计算机的上位机软
件, 上位机软件可以显示定位结果和其他性能参数, 并且能够
对接收机的工作进行控制"
3 接收机的软件设计
接收机的软件设计主要是指基带处理模块的软件设计, 分
为A R M 端和F P G A 端"
A R M 端主要负责将F P G A 传过来的相关值进行处理, 解调
出导航电文和测距码相位信息, 并进行定位解算工作"F P G A 端
主要产生本地载波多普勒频率信号和扩频码并与接收到的信号
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进行相关运算, 剥离接收信号的载波多普勒和扩频码, 得到相
关结果传送给A R M 进行处理le]o
3 .1 A RM 端设计
在北斗接收机设计的总体结构中, A R M 是主控设备,
F P G A 是从属设备"
{摆只
AR M 和FP G A初始化
A R M 处理器具有体积小! 低功耗! 低成本! 高性能的特点, 负
责接收机的总体流程控制[7] ; F PG A 内部有丰富的触发器和1/ 0
引脚, 是A SI C 电路中开发周期短! 费用低等特点, 适合做导航
信号的基带相关运算器设计, 负责导航信号的载波剥离和扩频
码剥离" 文章首先分析了北斗接收机的总体设计, 包括使用的
芯片型号以及架构分析, 其次分别从硬件和软件设计两方面进
行了介绍分析" 经过实际场景和模拟器场景测试, 该架构接收
机可以正常工作并且达到预定性能指标"
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图5 接收机工作流程图
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在上电以后, A R M 首先启动, 在A R M 的控制下完成
F P G A 的配置和初始化工作, 在F P G A 开始正常工作以后, 从
F P G A 读出相关值, 在A R M 端用软件实现载波环和扩频码环,
根据相关值信息, 对载波环和扩频码环进行调整, 并同时控制
F P G A 产生与输入信号更匹配的载波多普勒频率信号和扩频码信
号" 并且通过码相位值计算出伪距信息, 通过相关值解调出电
文信息, 最后在A R M 处理器中进行定位解算"
3 .2 FP G A 端设计
在接收机设计结构中, F P G A 是作为接收机的相关运算单元,
是属于A R M 处理器的从属端, 在A R M 的控制下完成载波和扩
频码的剥离"
F P G A 片内实现的模块主要有: 与A R M 交互的地址控制模
块! 信号处理通道模块! 载波N C O 和码N CO 模块等"主要的
工作就是将接收到的信号分通道的分别进行载波剥离! 扩频码
剥离和相关累加工作, 完成以上步骤以后向A R M 发送中断信号,
A R M 处理器响应中断读取相关值进行后续处理"
4 结论
参考文献:
1l] 谢钢.G PS 原理与接收机设计1M >. 北京: 电子工业出版社,
2 0() 9 .0 7
X IE G . G P S pnn clPle and ra 犯Iver des l郎=M l. B ei lin g :
P u b lish in g H o use of E leetro n ies In d u stry , 200 9 .0 7(in
C hln欣祀)
[2] 王冬冬. 基于F P G A 与A R M 的遥测数据网络化采集[J1 . 现代
电子技术.2011(16) (加C h in 巴犯)
W A N G D D . F P G A a n d A R M 一b a s e d te le m e t r y
d a ta n e tw o rk a eq u isitio n 1J >. M o d e rn e leetro n ie
teC 加lof o盯.2011(16) (in C h ill已祀)
[3 1 丁震宇. 基于A R M 嵌入式系统的G P S 接收机设计=D] .哈尔滨:
哈尔滨工程大学, 20 8( 125 )
D IN G Z Y . G P S r e e e iv e r d e s ig n b a se d o n A R M
E m b edd ed Sy stem =D l. H arb in : H arb in E n g in eerin g
U ni ve rS lty ,20() 8( l25) (in C h in 已祀)
协8 葛飞.0北斗0导航接收机基带处理系统的研究1D] . 合肥: 合
肥工业大学, 2008
G E F . 0B 已d o u ,! na v lg a ti o n rec eiv e r 加望b a n d P roc 已洛川g
system =D 8H efe i: H efe i U n iv ers ity of T eC h nology , 2008(in
C l飞in欣羌)
[5] 柯国松.基于A R M 的G PS 接收机的设计及其精度仿真研究[J] .
自动化技术与应用.2(X) 9(03 )
K E G S . B ased the A R M G P S receiv er des 馆n an d its
P rec islon si m ul ati on stu d y[ JI. A utom ati on 慨hn ology and
appli ca tio n .2(X) 9(03) (in C hln 搜)
[6 ] 上官伟.G P S 中频信号仿真及软件接收机设计[J] . 铁道学报,
2012 , 34(6)
S H A N G G U A N W . G P S th e IF s ig n a l sim u la tio n a n d
so ft wa re recelver des i即IJ 8. Journ ai of the C h i厂a R al w ay
Soc le ty , 20 12 , 34(6) (in C h lil已祀)
[7] 崔秋丽.基于A R M 的G Ps 数据接收系统的设计与实现[J] . 电
子测量技术, 20 11 , 34(l)
C U I Q L . D eS 刀g n a nd Im P le m e n ta ti o n ba 傲1 o n tl飞e A R M
G P S d ata reeeiv in g sy stem =J 8.E leetro nie m easu rem en t
t代hn olo盯, 20 11, 34(l) (in C h 山欣祀)
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