李 健，鄒浩杰，陳 杰

（中國科學院微電子研究所，北京 100029）

多星座衛(wèi)星導航接收機跟蹤通道結構改進*

李 ?。?，鄒浩杰，陳 杰

（中國科學院微電子研究所，北京 100029）

可用衛(wèi)星數(shù)量的大幅增加使得傳統(tǒng)的并行通道結構很難滿足多星座衛(wèi)星導航接收機的設計需求。為了減少電路規(guī)模和功耗，提出了一種通用的相關器跟蹤結構，其可以跟蹤GPS（Global Positioning System）/BDS（BeiDou Navigation Satellite System）/GLONASS（Global Navigation Satellite System）3種衛(wèi)星信號。該電路通過預先存儲中頻數(shù)據(jù)、提高相關器工作頻率的方法，充分利用了每個通道的效能。這種時分復用的電路改進方法可以實現(xiàn)大量等效并行通道。65 nm工藝下的實驗結果表明，該結構在電路資源和功耗方面優(yōu)于傳統(tǒng)結構。FPGA（Field Programmable Gate Array）的驗證結果進一步證明了該電路結構的有效性和正確性。

GPS;“北斗”系統(tǒng);GLONASS;多星座;導航接收機;跟蹤通道;時分復用

1 引言

從20世紀60年代初期的子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)（NNSS，即美國海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)）開始，目前在軌和計劃開發(fā)的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的GALILEO、中國的“北斗”（BDS）。此外，還有眾多的區(qū)域增強系統(tǒng)，例如日本的QZSS（Quasi－Zenith Satellite System）和印度的IRNSS（Indian Regional Navigation Satellite System）。多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展使得導航接收機可用于定位的衛(wèi)星數(shù)量大幅增加，極大地改善了用戶在復雜環(huán)境下的體驗，使得定位的精確度、穩(wěn)定性和完好性都有長足甚至巨大的提高［1］。如何實現(xiàn)多模衛(wèi)星導航接收機已經成為目前的設計熱點與難點。

多模衛(wèi)星導航接收機要實現(xiàn)定位需要對衛(wèi)星信號進行實時的跟蹤與解調。傳統(tǒng)的接收機采用并行的相關器通道來實現(xiàn)衛(wèi)星信號的實時跟蹤［2］，但是隨著可見衛(wèi)星數(shù)量的增多，硬件資源會大幅增加，且電路自身的功耗也會相應提高。

盡管不同衛(wèi)星導航系統(tǒng)的調制方式有所差別，但是其大部分都采用了QPSK與擴頻通信相結合的調制方式，相關通道可以采用相同的結構實現(xiàn)多星座衛(wèi)星的兼容。文獻［3］介紹了 GPS/GLONASS/GALILEO接收機的通用相關器結構，文獻［4］針對多模多頻接收機提出了軟件跟蹤平臺，但文獻［3－4］均并未對硬件實現(xiàn)多星座跟蹤進行深入分析。文獻［5］詳細分析了GPS相關器的實現(xiàn)方法，其采用了16.367 MHz的較低工作頻率，使得通道效能無法得到充分發(fā)揮。文獻［6］以GPS信號為例分析了采樣率與前端帶寬對于信號強度的影響，指出采用4倍碼速率的采樣率可以近似無失真的恢復信號，因此相關通道可以工作在更低的頻率。相關運算的低速率決定了可以通過時分復用的方式提高每個通道的工作頻率，進一步發(fā)揮每個物理通道的效能。

本文首先在傳統(tǒng)相關器結構基礎上，通過改進碼發(fā)生器實現(xiàn)了GPS/BDS/GLONASS 3種系統(tǒng)兼容。然后，通過適量存儲中頻數(shù)據(jù)和對觸發(fā)器結構改造實現(xiàn)了大規(guī)模等效相關通道。FPGA的仿真結果表明，該電路結構可以實現(xiàn)3種導航系統(tǒng)的實時跟蹤。最后，給出了65 nm工藝下與傳統(tǒng)方案的對比，相對于傳統(tǒng)并行相關器通道結構，該方法在電路規(guī)模和功耗方面具有優(yōu)勢，且隨著等效通道數(shù)的增加，這種優(yōu)勢越為顯著。

2 多模跟蹤通道

跟蹤本質上是實時的復現(xiàn)與接收信號完全同步的本地信號［7］，由本地復制的載波信號可以提取出多普勒頻移和載波相位觀測值，由本地偽碼信號又可以提取出碼相位和偽距測量值，而這些參數(shù)可以用于接收機定位。

衛(wèi)星信號經過天線、低噪聲放大器、射頻前端、AD采樣后得到如下中頻信號:

其中，A表示信號幅度，D（t）表示調制的電文信息，C（t）表示測距碼，fc表示載波中頻值，δf表示載波多普勒頻率，φ為輸入載波和本地載波的相位差，n（t）表示高斯白噪聲信號。盡管不同星座衛(wèi)星的碼速率、碼產生方式、調制電文、載波中心頻點不同，但是其均可以通過相關通道結構進行跟蹤，如圖1所示。

圖1 相關通道結構Fig.1 Structure of correlation channel

數(shù)字中頻信號首先與本地產生的正弦和余弦載波進行混頻，混頻結果與復制的偽隨機碼進行相關，接著相關結果I和Q再送給載波環(huán)和碼跟蹤環(huán)進行本地載波和偽碼頻率的調整，實現(xiàn)實時的衛(wèi)星信號跟蹤。

盡管GPS、BDS和GLONASS系統(tǒng)的碼速率和碼長不同，但是通過比較其碼產生方式可以發(fā)現(xiàn)其具有一些共性。GPS和BDS系統(tǒng)可以通過兩組碼產生器合成最終碼字，而GLONASS系統(tǒng)僅使用其中一組碼產生器即可生成偽隨機序列。其碼產生器結構如圖2所示，通過配置兩組碼產生器的抽頭和碼初相就可以實現(xiàn)不同系統(tǒng)的碼產生。

圖2 兼容GPS/BDS/GLONASS的碼產生器Fig.2 Code generator for GPS/BDS/GLONASS

文獻［6］采用了零中頻的跟蹤結構，并證明了采樣率大于等于4倍前端單邊帶寬時，相關能量損失可以忽略不計。對于GPS信號來說，假設前端射頻帶寬為2.046 MHz，如果相關通道使用4.092 MHz的采樣率就可以基本無失真的恢復信號。這種低速率的工作特點使得傳統(tǒng)并行通道結構無法最大發(fā)揮每個通道的效率，在多星座接收機中，會造成電路資源的浪費。

3 改進的通道結構

由于相關器通道工作的頻率較低，因此可以利用時分復用的技術，通過提高每個通道的工作頻率來實現(xiàn)更多的等效通道。為了達到該目的，需要預先緩存中頻信號，然后通過控制電路來提高中頻數(shù)據(jù)回放的速率，進而實現(xiàn)大量等效通道。

以8個物理通道為例，如圖3所示，該電路工作流程為:中頻信號首先存儲到中頻RAM1中，當RAM1存滿后，數(shù)據(jù)存入RAM2中。此時，RAM1的數(shù)據(jù)通過多路選擇器送給通道1～8做相關運算，運算完成后8個通道的中間觸發(fā)器的值順序移位到DUMP RAM中。如果還需要實現(xiàn)更多的通道可以先從DUMP RAM中順序移出其他通道的觸發(fā)器值，再回放RAM1中的中頻數(shù)據(jù)。如此反復操作直到實現(xiàn)等效的通道數(shù)。

圖3 基于中頻數(shù)據(jù)回放的跟蹤通道Fig.3 Tracking channels based on playback of IF signals

為了實現(xiàn)上述功能，需要對觸發(fā)器進行適當改造。如圖4所示，具體方法是在觸發(fā)器前端增加兩級MUX（二選一）電路，其中選擇器1為低電平選擇正常邏輯輸入SI，為高電平則進入移位模式，可以鎖存前級觸發(fā)器RDI的值。選擇器2為低電平則進入移位模式，為高電平則進入鎖存模式，維持自身的值不變。

圖4（b）為插入掃描鏈后的觸發(fā)器模型［8］，對比兩種結構可以發(fā)現(xiàn)在選擇器2為高電平的情況下兩種電路結構完全等價，因此改進后的電路可以在完成掃描設計工作后手工修改，對于電路改動不大。

圖4 改造后的觸發(fā)器與插入掃描鏈后的觸發(fā)器Fig.4 Modified trigger and trigger after scan chain is inserted

圖5 電路改造示意圖Fig.5 A demo of modified circuits

最后將所有觸發(fā)器通過如圖5所示粗線路徑連接到一起即可實現(xiàn)所有觸發(fā)器值的移出和移入。通過上面分析可以得到等效相關器的計算公式為

其中，Nphy為實際物理通道數(shù)，fH為通道工作頻率，而fs為采樣率，Mram為中頻RAM的深度，Min為觸發(fā)器裝載初始值的周期數(shù)，Mout為觸發(fā)器數(shù)據(jù)移出的周期數(shù)。以 Nphy=8、fH=100 MHz、fs=16.368 MHz、Min=Mout=1 000、Mram=8 192為例，可以計算得到N≈40，即8個物理通道可以實現(xiàn)40個等效通道。

4 實驗結果

為了驗證跟蹤通道的實際效果，本實驗電路全部用FPGA（Altera StratixIII EP3LS200）實現(xiàn)，其中控制部分采用S3C2410（ARM9）芯片實現(xiàn)。本實驗模擬器采用東方聯(lián)星公司的NS800多星座衛(wèi)星導航信號模擬器，產生GPS、BDS、GLONASS靜態(tài)場景數(shù)據(jù)。射頻芯片采用Maxim公司的max2769芯片，中頻采用2比特量化，采樣率16.368 MHz。

在實驗中，為了簡化設計只采用了4個物理通道，而電路工作速度為50 MHz。由式（2）可以計算出其等效通道數(shù)為12。

由于射頻芯片不支持3種系統(tǒng)同時接收，因此通過模擬器分別產生GPS/BDS/GLONASS 3種衛(wèi)星場景。每種場景的衛(wèi)星強度逐次降低，通過配置碼發(fā)生器的類型即可實現(xiàn)不同衛(wèi)星的跟蹤。其中，環(huán)路控制部分代碼由控制芯片來完成，而基帶相關器通道全部在FPGA內部實現(xiàn)。

圖6～8分別是對GPS系統(tǒng)20號衛(wèi)星、BDS系統(tǒng)5號衛(wèi)星、GLONASS系統(tǒng)11號衛(wèi)星的跟蹤結果。從跟蹤結果可以看出，基于回放方式的相關器通道可以穩(wěn)定地跟蹤高信噪比和低信噪比的衛(wèi)星信號。

圖6 GPS 20號衛(wèi)星跟蹤結果Fig.6 Tracking result of GPS sat 20

圖7 BDS 5號衛(wèi)星跟蹤結果Fig.7 Tracking result of BDS sat 5

圖8 GLONASS 11號衛(wèi)星跟蹤結果Fig.8 Tracking result of GLONASS sat 11

改進電路由邏輯電路和存儲器構成，存儲器包含6塊中頻RAM和1塊DUMP RAM。前者分別存儲3種衛(wèi)星信號的中頻數(shù)據(jù)，后者存儲觸發(fā)器的中間結果。使用Synopsys公司的Design Compiler工具在SMIC 65 nm工藝下對兩種方案電路進行綜合對比，可以得到結果如表1所示。

表1 65 nm工藝下的綜合結果對比Table 1 Comparison of synthesis results under 65 nm technic

由表1可以看出，隨著通道數(shù)的增加，傳統(tǒng)并行通道的硬件資源呈線性增加的趨勢，而改進電路主要依靠提高自身工作頻率，其電路增加的部分為存儲中間結果的DUMP RAM大小，因此電路規(guī)模的增加并不明顯。

在本實驗中，中頻RAM的大小為512×32 b，由于采用2比特采樣，因此對應Mram為8 192。Mram的值越大，式（2）中等效通道數(shù)越大，但是其會帶來電路規(guī)模的增加。Min和Mout與通道中觸發(fā)器的個數(shù)有關，相關電路一旦設計完成該參數(shù)基本固定。因此提高等效通道數(shù)的關鍵在于提高本地相關器的工作頻率或者降低中頻信號采樣率。

最后，通過測試激勵使得全部通道處于跟蹤狀態(tài)，使用 Synopsys公司的 Power Compiler工具在SMIC 65 nm工藝下對兩種方案電路進行功耗分析，可以得到如表2所示的結果（核心電壓為1.2 V）。

表2 65nm工藝下的功耗對比Table 2 Comparison of power consumption under 65 nm technic

由表2可以看出，在等效通道數(shù)量達到24以后，改進電路的功耗要優(yōu)于傳統(tǒng)電路。需要說明的是，在實驗中改進電路的RAM均增加了門控電路裝置，在RAM空閑時關閉RAM的時鐘，否則其功耗會大幅增加。

5 結論

本文提出了一種改進的GPS/BDS/GLONASS接收機跟蹤通道結構，該電路結構通過重新設計碼發(fā)生器，實現(xiàn)了GPS/BDS/GLONASS系統(tǒng)的兼容。通過預先存儲中頻數(shù)據(jù)并高速回放的方式提高了各通道的工作效率。FPGA的實驗結果證明了該電路的可行性和有效性。采用SMIC 65 nm工藝對硬件資源和功耗進行分析，結果表明:在進行大量相關通道設計時，該方法相對于傳統(tǒng)的并行通道結構具有更小的硬件資源、更低的功耗和更高的靈活性。隨著等效通道數(shù)的增加，該電路結構在硬件資源和功耗方面的優(yōu)勢越發(fā)顯著，其更適合于多星座多通道類型的接收機設計。由于零中頻電路的采樣率更低，因此下一步還將研究針對零中頻方案的多星座跟蹤電路，以實現(xiàn)更高的等效通道數(shù)。

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LI Jian was born in Tianjin，in 1981.He is now an associate research fellow and currently working toward the Ph.D.degree.His research concerns satellite navigation receiver.

Email:lijian@ime.ac.cn

鄒浩杰 （1988—），男，江蘇人，碩士研究生，主要研究方向為ASIC電路設計;

ZOU Hao－jie was born in Jiangsu Province，in 1988.He is now a graduate student.His research concerns ASIC design.

陳 杰（1963—），男，湖北人，2004年于日本國立電氣通信大學獲博士學位，現(xiàn)為研究員、博士生導師，主要研究方向為無線通信。

CHEN Jie was born in Hubei Province，in 1963.He is now a research fellow and also the Ph.D.supervisor.His research concerns wireless communications.

Structure Im provement of Tracking Channels in M ulti－constellation Satellite Navigation Receiver

LI Jian，ZOU Hao － jie，CHEN Jie
（Institute of Microelectronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China）

The structure of traditional paralleled channels could hardly meet the demand of multi－constellation satellite navigation receiver as the tremendous increase of available satellites.In order to reduce the excessive consumption of circuits and power，this paper presents a universal correlator structure which can track GPS（Global Positioning System）/BDS（BeiDou Navigation Satellite System）/GLONASS（Global Navigation Satellite System）signals.By storing intermediate frequency（IF）signals previously and enhancing the frequency of correlators，this circuit takes full advantage of every channel.Large scale equivalent channels can be easily implemented through TDM（Time Division Multiplexing）methods.The research under 65 nm technic shows that new structure outperforms traditional one in circuit resources and power consumption.FPGA（Field Programmable Gate Array）simulation also demonstrates the validity and correctness of this circuit.

GPS;BeiDou navigation system;GLONASS;multi－constellation;navigation receiver;tracking channel;time division multiplexing

The National Natural Science Foundation of China（No.61376027，61221004）

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lijian@ime.ac.cn Corresponding author:lijian@ime.ac.cn

TN962

A

1001－893X（2014）05－0595－05

10.3969/j.issn.1001 －893x.2014.05.013

李健，鄒浩杰，陳杰.多星座衛(wèi)星導航接收機跟蹤通道結構改進［J］.電訊技術，2014，54（5）:595 －599.［LI Jian，ZOU Hao－ jie，CHEN Jie.Structure Improvement of Tracking Channels in Multi－ constellation Satellite Navigation Receiver［J］.Telecommunication Engineering，2014，54（5）:595 －599.］

2013－12－17;

2014－02－26

date:2013－12－17;Revised date:2014－02－26

國家自然科學基金資助項目（61376027，61221004）

李 健 （1981—），男，天津人，博士研究生，副研究員，主要研究方向為衛(wèi)星導航接收機;