CN108761503A - 一种多模卫星信号捕获方法及soc芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模卫星信号捕获方法及SOC芯片，在SOC芯片中集成有双内核的处理器，在基带信号处理模块中增设有一个专用数据容器，接收不同频点的中频数据并进行保存；将相关积分算法集成在捕获通道中，生成相关性本地码；捕获通道从专用数据容器中提取中频信号，结合所述相关性本地码进行捕获运算，生成捕获参数发送至载波跟踪环进行环路跟踪，进而生成解调后的数据发送至处理器进行PVT导航解算，最终生成定位结果。使用本发明的SOC芯片可以实现北斗、GPS、GLONASS等卫星信号的快速捕获，能够提供导航终端用户二次开发所需的嵌入式处理器资源，为多模导航接收机设计提供小型化、低功耗、低成本的SOC芯片支持。

Description

一种多模卫星信号捕获方法及SOC芯片

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，具体地说，是涉及一种多模卫星信号捕获方法及SOC芯片。

背景技术

卫星定位就是使用卫星确定某物的地理坐标的技术。目前的卫星定位装置可以实现导航、定位、授时等功能，能够引导飞机、船舶、车辆以及个人准确地沿着选定的路线到达目的地，同时还可以应用在手机中实现追踪功能。

随着我国自主北斗卫星导航系统的快速发展和成熟应用，在国内基于北斗，融合GPS、GLONASS等卫星定位系统的导航技术革新呈现了日新月异的发展态势。作为用户导航终端核心部件的卫星定位接收机也成为技术设计和研究热点。

研制一款高性能的卫星定位接收机需要解决的关键技术包括基带信号高速处理和高精度定位跟踪算法软件设计。目前采用的技术方案主要有：基带FPGA芯片结合嵌入式计算机设计，如图1所示；基带ASIC芯片结合嵌入式计算机设计，如图2所示；基带和嵌入式计算机一体化的SOC芯片设计，如图3所示。其中，方案一的最大优点是基带算法可以任意修改，缺点是功耗大、电路板面积大、主要元器件需要进口、批产成本高；方案二的最大优点是基带算法实现自主化、基带芯片功耗低，缺点是仍然需要使用两个芯片实现信号处理，电路板面积较大；方案三的优点是通过将基带芯片和嵌入式计算机进行一体化设计，使用一块芯片即可实现前两个方案中两个芯片的功能，因此电路板面积小、总功耗低、核心芯片完全自主化、批产成本低。

通过比较可知，方案三是解决用户导航终端核心技术的最佳技术途径，目前国内已有少数公司采用该方案进行了基带和嵌入式计算机一体化SOC芯片设计技术开发，但是各家公司在具体实现技术途径上均采用了单核处理器和基带信号处理模块的一体化设计方法。并且，国内外市场现有的SOC芯片都设计成导航专用集成电路，不支持用户在芯片级的二次开发。

另外，由于不同模式的导航系统，例如北斗、GPS、GLONASS等，其通讯卫星所发出的卫星信号的频点各不相同。对于目前支持多模导航系统的卫星定位接收机来说，其基带芯片对接收到的不同频点的中频信号进行捕获和跟踪运算时，其采用的方法是：结合图4所示，在载波跟踪环中集成相关积分算法，用于生成相关性的本地码。通过载波跟踪环接收来自每一个频点的中频数据，并对接收到的中频数据进行相关积分运算后，生成本地码发送至捕获通道进行捕获分析和运算，进而生成捕获参数（例如多普勒参数DOPPLER、码相位参数等）返回至载波跟踪环，进行环路跟踪运算，进而生成解调后的数据发送至处理器进行导航解算。处理器在进行导航解算时，目前都是针对每一种模式的导航系统单独进行PVT导航解算，针对每一种模式的导航系统单独生成定位结果。

这种现有的多模卫星信号捕获方法，其缺点是载波跟踪环与捕获通道采用相同的工作时钟，载波跟踪环每次只能接收和处理一个频点的中频数据，由于捕获通道的运行依赖于载波跟踪环输出的相关积分结果，因此在载波跟踪环对当前接收到的卫星信号进行处理的过程，捕获通道处于闲置状态，而在捕获通道进行捕获运算时，载波跟踪环处于闲置状态，直到接收到捕获通道输出的捕获参数后，才能进行环路跟踪运算，完成对一个卫星信号的捕获和跟踪运算。整套运算过程结束后，载波跟踪环才可以接收来自下一颗卫星的中频数据，进行新一轮的捕获和跟踪运算。这种现有的多模卫星信号捕获方法，工作周期长，由于捕获通道与载波跟踪环使用相同的工作时钟，因此无法单独提高信号的捕获效率，捕获效能和灵活性较差。若针对多模卫星信号捕获，拷贝设计多套原理相同的捕获逻辑，针对每一个频点的捕获通道均采用快速傅氏变换FFT，那么其消耗的捕获逻辑资源将成倍升高，且运行功耗大幅提升。因此，现有针对多模卫星信号设计的捕获方法通常只针对某一个信号频点实现信号的快速捕获，即，只设计一套如图4所示的捕获逻辑，以实现系统的低功耗运行，但很显然，运行周期长，捕获效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多模卫星信号捕获方法以及SOC芯片，能够对来自不同模式的导航系统的不同频点的卫星信号实现快速捕获，提高捕获效能。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明在一个方面，提出了一种多模卫星信号捕获方法，包括：建立一个专用数据容器接收不同频点的中频数据并进行保存；将相关积分算法集成在捕获通道中，生成相关性本地码；捕获通道从所述专用数据容器中提取中频信号，结合所述相关性本地码进行捕获运算，生成捕获参数；将所述捕获参数发送至载波跟踪环进行环路跟踪，生成解调后的数据；对所述解调后的数据进行PVT导航解算，生成定位结果。

优选的，所述捕获通道和载波跟踪环优选在不同的工作时钟下独立运行。

进一步的，在所述捕获通道中可以设计一套捕获逻辑，分别对每一个频点的中频数据进行捕获运算，生成捕获参数，以降低系统功耗；当然，也可以在所述捕获通道中针对多模卫星信号设计多套捕获逻辑，每一套捕获逻辑均处理来自于专用数据容器的中频数据，并仅对多模卫星各自频点的信号进行捕获运算，生成捕获参数，以提高捕获效率。

又进一步的，在所述载波跟踪环中针对不同模式的导航系统分别设置不同的跟踪通道，每个跟踪通道独立运行跟踪算法，分别输出解调后的数据，用于导航解算。

为了提高定位结果的可靠性，在对所述解调后的数据进行PVT导航解算时，所述解调后的数据为来自不同模式导航系统的解调数据，利用PVT导航算法对来自不同导航系统的解调数据进行冗余解算，综合生成一个定位结果。

本发明在另一方面，提出了一种SOC芯片，集成有基带信号处理模块和处理器，所述基带信号处理模块包括专用数据容器、捕获通道和载波跟踪环；其中，所述专用数据容器接收不同频点的中频数据并进行保存；所述捕获通道集成有相关积分算法，用于生成相关性本地码；所述捕获通道从所述专用数据容器中提取中频信号，结合所述相关性本地码进行捕获运算，生成捕获参数；所述载波跟踪环接收所述捕获参数，进行环路跟踪，并生成解调后的数据发送至所述处理器；所述处理器对所述解调后的数据进行PVT导航解算，生成定位结果。

进一步的，所述处理器向所述捕获通道输出配置参数，所述相关积分算法根据所述配置参数生成相关性本地码；在所述SOC芯片中集成有时钟管理模块，通过AXI总线与所述处理器通信，接收处理器输出的时钟调整指令，并生成两路独立的时钟信号分别发送至所述捕获通道和载波跟踪环，控制所述捕获通道和载波跟踪环在不同的工作时钟下独立运行，以实时、高效地完成卫星信号的捕获。

为了能够对应用系统的二次开发提供软硬件技术支持，本发明对处理器采用了双内核设计，即，在处理器中设置两个架构相同的ARM内核，其中一个ARM内核用于PVT导航解算，生成定位结果；另一个ARM内核面向用户开放，用于应用系统的二次开发；两个所述ARM内核之间通过内部共享SRAM存储器进行数据交互；所述处理器通过AXI总线与所述基带信号处理模块通信。

进一步的，在所述SOC芯片中还集成有通过AXI总线与所述处理器连接通信的内存管理单元、直接内存访问控制器、扩展内存接口、DDR控制器、引导程序存储器、片上内存、中断控制器、通用外设接口。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明采用资源共享的卫星信号捕获模式，设计了多系统多频点共用信号捕获通道，既可以对输入的所有卫星信号实现快速捕获，又在很大程度地节约了信号捕获所需的逻辑资源，既提高了SOC芯片的信号处理水平，又节约了芯片设计的面积消耗。此外，本发明的SOC芯片对处理器采用双内核设计，利用其中一个ARM内核完成所有模式导航系统的PVT解算功能，而将另一个ARM内核提供给终端用户进行二次开发使用，不仅为应用系统的二次开发提供了技术支持，而且可以简化硬件电路的结构，实现SOC芯片的小尺寸、低成本、高集成度设计。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是现有的接收机信号处理设计方案一的原理框图；

图2是现有的接收机信号处理设计方案二的原理框图；

图3是现有的接收机信号处理设计方案三的原理框图；

图4是现有的多频信号捕获方法的原理框图；

图5是本发明所提出的SOC芯片的一种实施例的电路原理框图；

图6是本发明所提出的多模卫星信号捕获方法的一种实施例的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

本实施例为了实现卫星定位接收机的小型化设计，采用将基带芯片和嵌入式计算机一体化设计的技术方案，提出了一种可以支持多模式导航系统的SOC芯片设计，其内部集成有处理器、基带信号处理模块、AXI总线、内存管理单元、直接内存访问控制器、扩展内存接口、DDR控制器、引导程序存储器、片上内存、中断控制器、通用外设接口等主要功能模块，非常适合导航终端用户实现多模导航产品的小型化、低功耗、低成本设计。

下面结合图5对集成在SOC芯片内部的主要功能模块进行具体阐述。

（1）处理器：采用ARM双内核设计，包括内核Core1、内核Core2和多核JTAG调试接口。在芯片设计时，两个内核Core1、内核Core2的组织架构完全相同，均采用Cortex-A5设计，其IP内核集成了多媒体协处理器NEON、浮点运算单元FPU、窥探控制单元SCU、32KB数据缓存器L1_CACHE、32KB指令缓存器L2_CACHE、JTAG等功能电路，实现指令译码、数据运算、快速缓存交互等功能。两个内核Core1、Core2之间通过内部共享SRAM实现数据交互，窥探控制单元SCU监控两个内核Core1、Core2之间缓存的一致性，仲裁并发起处理器内核对指令缓存器L2_CACHE的缓存访问，并支持双内核Core1、Core2的JTAG在线调试功能。每一个内核Core1、Core2具备独立的指令缓存器和数据缓存器，单核工作主频可达500MHz，足以满足导航解算和终端用户应用软件二次开发应用。同时，利用处理器的双内核进行卫星信号跟踪环路和PVT导航解算的有机协调，可以实现接收机环路的动态实时监控和高速导航解算。

（2）基带信号处理模块：包括专用数据容器、捕获通道、载波跟踪环、功能逻辑模块，可以实现北斗、GPS、GLONASS等多种不同模式的导航系统的信号捕获和环路跟踪处理、产生控制逻辑等，并生成解调后的数据发送至处理器。

（3）AXI总线：采用AXI总线协议，符合AMBA协议标准和片上互联规范，芯片设计时采用该总线连接和管理片上系统处理器内核，协调外挂在总线上的多个外设控制器和处理器内核之间的指令数据交换。本实施例优选采用AXI64总线实现SOC芯片内部各功能模块之间的连接通信。

（4）内存管理单元MMU：支持虚拟内存功能，采用AXI总线与处理器互联，可以为系统提供内存保护以及虚拟内存服务，提高系统性能。内存管理单元MMU与缓存器L1_CACHE、L2_CACHE内存一起，可以完成虚拟地址与物理地址的相互转换。

（5）扩展内存接口EMIF：通过AXI总线与处理器交互，可实现数据存贮、数据通讯交互接口类型的扩展，极大提升软硬件设计的灵活性。

（6）直接内存访问控制器DMAC：通过AXI总线与处理器通信，提供多达8条外设与内存间的访问通道,支持大块数据从外设到内存、内存到外设以及内存与内存之间的搬移，可以显著降低CPU负载，提升系统性能。并且，由于DMAC使用资源少，因此可以降低CPU的功耗。

（7）DDR控制器DDR2或DDR3：集成设计了4个功能组件，包括AXI接口模块、端口仲裁模块、DDR控制器模块以及寄存器配置模块，可实现DDR2和DDR3存贮器的接口管理，采用AXI总线与处理器模块相连。

（8）时钟管理模块：对外部输入的基准时钟进行锁相环PLL控制，集成有处理器工作时钟发生器、基带信号处理模块时钟发生器，具有RTC时钟管理、外设时钟控制、动态时钟调整控制功能，挂接在AXI总线上。

（9）中断控制器：通过AXI总线与处理器通信，实现中断向量管理，能够支持2至64个普通中断，实现中断嵌套与优先级控制、中断屏蔽和软件中断调度。

（10）引导程序存贮器Boot Rom：存储系统软件启动所需的引导程序，采用QSPI外设加载方式进行系统软件的启动和运行，通过AXI总线与处理器进行数据交互。

（11）片上内存：挂接在AXI总线上，采用片上AXI64总线接口的静态随机存贮器设计，能够实现数据的高速写入和读取，且数据访问延时小。

（12）通用外设接口：通过AXI64总线连接所述处理器，主要包括Timer、UART、CAN、NET、GPIO、QSPI、I²C、SPI等外设和通用通讯接口，实现定时任务处理、通用串行数据传输、网络数据传输控制、高速串行数据传输等数据通讯功能。

本实施例在SOC芯片中采用处理器双内核设计，既利用处理器的双内核实现接收机环路的动态实时监控和高速导航解算协调工作，又为应用系统的二次开发提供了软硬件技术支撑。本实施例采用其中一个处理器内核完成所有模式的导航高速PVT解算功能，而将另一个处理器内核分别用于接收机环路的动态实时监控和终端用户应用程序二次开发使用，由此可以提升卫星定位接收机的定位导航性能，也可以达到简化硬件电路结构设计、小尺寸、低成本、高集成度的产品开发目标。

为了实现卫星信号的快速捕获，本实施例在设计基带信号处理模块的过程中，综合考虑了北斗、GPS、GLONASS等多种模式导航系统的卫星信号的融合处理逻辑结构设计，并创新性的提出了多模式导航系统中多个信号频点共用信号捕获逻辑资源的设计方法，如图6所示，该方法有别于国内外现有导航芯片采用不同频点信号独立处理的设计方案，如图4所示，消耗资源小、能够降低SOC芯片的系统功耗。

下面结合图6对本实施例在SOC芯片上所设计的多模卫星信号捕获方法进行详细阐述。

本实施例在基带信号处理模块中建立了一个专用数据容器，用于接收来自不同频点的中频数据并进行保存。同时，将相关积分算法集成在捕获通道中，通过处理器生成时钟调整指令，通过AXI总线发送至时钟管理模块，控制时钟管理模块生成两路独立的时钟信号CCLK_1、CCLK_2，分别发送至捕获通道和载波跟踪环，使捕获通道可以独立工作，不依赖于载波跟踪环的相关积分结果。在卫星定位接收机工作过程中，通过处理器对捕获通道进行简单的参数配置，例如将捕获第几号卫星、捕获信号的频率和码相位等参数发送至捕获通道，进而利用捕获通道中集成的相关积分算法生成相关性本地码，以用于捕获运算。具体来讲，其捕获过程为：捕获通道从专用数据容器中提取不同频点的中频信号，对输入的数字中频信号载波剥离以后先进行快速傅里叶变换FFT，然后再进行快速傅里叶反变换IFFT，一次性得到所有码相位的相关峰值，当本地码和输入信号的码对准，本地载波和输入信号的载波对准时，将会积累出能量，从而得到码不确定度和频率不确定度，完成信号捕获，生成捕获参数，例如DOPPLER、码相位等，并送入到载波跟踪环进行环路跟踪，以输出解调后的数据发送至处理器，进行PVT导航解算。

本实施例在捕获通道中可以设计一套捕获逻辑，分别对每一个频点的中频数据进行快速捕获，这样可以实现系统的低功耗运行。当然，也可以在捕获通道中针对多个频点设计多套捕获逻辑，例如针对北斗、GPS、GLONASS三种导航系统设计三套捕获逻辑，每一套捕获逻辑针对相同频点的中频数据进行捕获运算，由此可以实时高效的完成信号捕获，但运行功耗会有所提升。

在载波跟踪环中可以针对不同模式的导航系统分别设置多个跟踪通道，例如针对北斗导航系统可以设计12个跟踪通道，针对GPS导航系统可以设计6个跟踪通道，针对GLONASS导航系统可以设计10个跟踪通道。设计每个跟踪通道独立运行跟踪算法，分别输出解调后的数据发送至处理器。处理器利用PVT导航算法对接收到的来自不同导航系统的解调数据进行冗余解算，综合生成一个定位结果，以提高定位结果的可靠性。

本实施例对目前通用的单系统卫星信号捕获理论进行大幅改进，采用多频点共用通道信号捕获设计模式，每个频点的信号都能够得到快速捕获处理，对于多模式导航系统，提高了捕获效能，通过资源共用，既为信号并行捕获逻辑节约了资源，又能够满足所有卫星频点输入信号的快速捕获。采用该方法可以将原来的卫星信号捕获时间从20s～30s缩短到了5s以内，极大提升了卫星定位接收机的启动定位时间性能，相比国内外现有导航芯片仅支持单一信号捕获的设计方案，具有高效性和灵活性。

本实施例在基带信号处理模块中增设专用数据容器，并设计了多系统多频点共用信号捕获通道，既可以对输入的所有卫星信号实现快速捕获，又在很大程度地节约了信号捕获所需的逻辑资源，既提高了SOC芯片的信号处理水平，又节约了SOC芯片的设计面积消耗，基带信号处理专用逻辑线路在SOC芯片的占用面积可以约束在2mm×2mm范围以内，使得SOC芯片的小型化设计成为可能。

此外，本实施例将捕获通道和载波跟踪环设计成完全独立的工作模式，能够极大提高定位导航算法的可靠性。由于捕获通道具备独立的工作能力，所以定位导航软件能够实时监测和获取当前信号的动态参数，当导航软件突然发生跟踪环路信号丢失的情况时，定位导航算法能够利用捕获通道的实时解算参数快速恢复对卫星信号的跟踪。该方法能够适应载体在高、中、低等各种动态下的工作环境，极大改善了传统捕获和跟踪方法的定位可靠性。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多模卫星信号捕获方法，其特征在于，包括：

建立一个专用数据容器接收来自多模卫星所有频点的中频数据并进行保存；

将相关积分算法集成在捕获通道中，生成相关性本地码；

捕获通道从所述专用数据容器中提取中频信号，结合所述相关性本地码进行捕获运算，生成捕获参数；

将所述捕获参数发送至载波跟踪环进行环路跟踪，生成解调后的数据；

对所述解调后的数据进行PVT导航解算，生成定位结果。

2.根据权利要求1所述的多模卫星信号捕获方法，其特征在于，所述捕获通道和载波跟踪环在不同的工作时钟下独立运行。

3.根据权利要求1所述的多模卫星信号捕获方法，其特征在于，

在所述捕获通道中设计有一套捕获逻辑，分别对每一个频点的中频数据进行捕获运算，生成捕获参数；或者，

在所述捕获通道中针对多模卫星信号设计多套捕获逻辑，每一套捕获逻辑均处理来自于专用数据容器的中频数据，并仅对多模卫星各自频点的信号进行捕获运算，生成捕获参数。

4.根据权利要求1所述的多模卫星信号捕获方法，其特征在于，在所述载波跟踪环中针对不同模式的导航系统分别设置不同的跟踪通道，每个跟踪通道独立运行跟踪算法，分别输出解调后的数据。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的多模卫星信号捕获方法，其特征在于，在对所述解调后的数据进行PVT导航解算时，所述解调后的数据为来自不同模式导航系统的解调数据，利用PVT导航算法对来自不同导航系统的解调数据进行冗余解算，综合生成一个定位结果。

6.一种SOC芯片，集成有基带信号处理模块和处理器，其特征在于，

所述基带信号处理模块包括：

专用数据容器，其接收来自多模卫星所有频点的中频数据并进行保存；

捕获通道，其集成有相关积分算法，用于生成相关性本地码；所述捕获通道从所述专用数据容器中提取中频信号，结合所述相关性本地码进行捕获运算，生成捕获参数；

载波跟踪环，其接收所述捕获参数，进行环路跟踪，并生成解调后的数据发送至所述处理器；

所述处理器对所述解调后的数据进行PVT导航解算，生成定位结果。

7.根据权利要求6所述的SOC芯片，其特征在于，

在所述捕获通道中设计有一套捕获逻辑，分别对每一个频点的中频数据进行捕获运算，生成捕获参数；或者，在所述捕获通道中针对多模卫星信号设计多套捕获逻辑，每一套捕获逻辑均处理来自于专用数据容器的中频数据，并仅对多模卫星各自频点的信号进行捕获运算，生成捕获参数；

在所述载波跟踪环中针对不同模式的导航系统分别设置不同的跟踪通道，每个跟踪通道独立运行跟踪算法，分别输出解调后的数据至处理器；

所述处理器利用PVT导航算法对来自不同导航系统的解调数据进行冗余解算，综合生成一个定位结果。

8.根据权利要求6所述的SOC芯片，其特征在于，

所述处理器向所述捕获通道输出配置参数，所述相关积分算法根据所述配置参数生成相关性本地码；

在所述SOC芯片中集成有时钟管理模块，通过AXI总线与所述处理器通信，接收处理器输出的时钟调整指令，并生成两路独立的时钟信号分别发送至所述捕获通道和载波跟踪环，控制所述捕获通道和载波跟踪环在不同的工作时钟下独立运行。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的SOC芯片，其特征在于，所述处理器包括两个架构相同的ARM内核，其中一个ARM内核用于PVT导航解算，生成定位结果；另一个ARM内核面向用户开放，用于应用系统的二次开发；两个所述ARM内核之间通过内部共享SRAM存储器进行数据交互；所述处理器通过AXI总线与所述基带信号处理模块通信。

10.根据权利要求9所述的SOC芯片，其特征在于，在所述SOC芯片中还集成有通过AXI总线与所述处理器连接通信的内存管理单元、直接内存访问控制器、扩展内存接口、DDR控制器、引导程序存储器、片上内存、中断控制器、通用外设接口。