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南京信息工程大学硕士论文 基于微处理器a r m 的g p s 接收机的设计 摘要 作为一种成熟的卫星导航系统，g p s 技术目前已经被应用在各行各业中。g p s 系统的用户部分主要是各种型号的g p s 接收机。g p s 接收机中的微处理器的运算 能力和功耗直接影响整机的性能。 本文介绍了一款基于r i s c 微处理器a r m 的g p s 接收机的硬件设计，并在这 一硬件平台上进行相应的软件开发的过程。该型g p s 接收机硬件设计上采用 z a r li n k 公司生产的g p 2 0 1 5 芯片作为接收机的射频前端，内嵌a r m 7 t d m i 核的 g p 4 0 2 0 芯片作为接收机的数字基带处理器。软件部分介绍了操作系统u c l i n u x 在 a r m 上的移植、基带信号处理的算法、分析g p s 信号的搜索策略，给出载波跟踪 环路和伪码跟踪环路的设计方案。 本文介绍了g p s 系统的组成、特点及其工作原理，并阐述了g p s 接收机的 设计原理。a r m 微处理器具有低功耗、高性能的特点。本文描述了a r m 7 系列微 处理器的性能特点，并给出了利用a r m 7 微处理器设计g p s 接收机的实际设计和 调试方案。 关键词：g p s 接收机，a r m ，g p 2 0 1 5 ，g p 4 0 2 0 塑塞堡璺三堡查堂堡主笙苎 兰王塑丝望壁垒型塑竺! 量鉴垫塑堡生 a b s t r a c t s a t e l l i t en a v i g a t i o n p o s i t i o n i n gs y s t e mi sw i d e l yu s e di ne v e r yw a l ko fl i f e c l i e n tp a r t so fg p ss y s t e mm a i l l l yc o n s i s to ft y p e so fg p sr e c e i v e r s n 璩 m i c r o p r o c e s s o ri n t h er e c e i v e rd i r e c t l yd e c i d e st h ew h o l ep e r f o r m a n c eo ft h e r e c e i v e r t i l i st h e s i si n l x o d u c e st h ed e s i g no fa na r m - b a s e dg p sr e c e i v e r t h ep r o c e s so f d e v e l o p i n gf m u w a r ef o rt h i sr e c e i v e ri sa l s om e n t i o n e d f o rt h eg p sr e c e i v e r , t h e g p 2 0 1 5i sas m a l lf o r m a tf r o n t - e n da n dt h eg p 4 0 2 0w i t ha l la r m 7m i c r o p r o c e s s o r i sac o m p l e t ed i g i t a lb a s e b a n dp r o c e s s o r t h et h e s i si n t r o d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o no f u c l i n u xt 0a r m 7 ，a r i t h m e t i co fd i g i t a lb a s e b a n ds i g n a la n dt h ed e s i g no fc o d e t r a c k i n gl o o p ，a n dc a r r i e rt r a c k i n gl o o pa r ed i s c u s s e d t h i st h e s i sd e s c r i b e st h ef e a t u r e so fg p sa n dt h e nd i s c u s s e st h ed e s i g np r i n c i p l e o fg p sr e c e i v e r c o m p a r e dt oo t h e r s ，a r mh a ss o m es p e c i a lf e a t u r e s ，s u c ha s l o w p o w e r , h i g h - p e r f o r m a n c e t h et h e s i s i n t r o d u c e st h i sa n dt h e nd e s c r i b e st h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f a na r m b a s e dg p sr e c e i v e r k e y w o d s ：g p sr e c e i v e r , a r m ，g p 2 0 1 5 ，g p 4 0 2 0 1 1 南京信息工程大学硕士论文 基于微处理器a r m 的g p s 接收机的设计 第一章绪论 1 16 p s 定位系统概述 作为一种成熟的卫星导航系统，g p s ( 全球定位系统) 技术目前已经被应用在各行各业 中，特别是在定位和导航方面。在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要采用无线 电导航系统。 i 、无线电导航系统 1 ) 罗兰一c ：工作在1 0 0 k h z 。由三个地面导航台组成导航工作区域2 0 0 0 k m 一般精 度2 0 0 3 0 0 m 。 2 ) o m e g a ( 舆米茄) ：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球，精度几 英里。 3 ) 多普勒系统：利用多普勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数( 地速和偏流 角) ，推算出飞行器位置，属自各式航位推算系统。误差随航程增加而累加。 无线电导航系统的缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高。 2 、卫星定位系统 最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统( t r a n s i t ) ，1 9 5 8 年研制，6 4 年正式投入使 用。由于该系统卫星数目较小( 5 - 6 颗) ，运行高度较低( 平均1 0 0 0 1 0 ) ，从地面站观测到 卫星的时间间隔较长( 平均i 5 h ) ，因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。 为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。1 9 7 3 年美国国防部制定了 6 p s 计划。 3 、g p s 系统发展历程 g p s 系统实施计划共分三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1 9 7 3 年到1 9 7 9 年共发射了4 颗试验卫星。 研制了地面接收机及建立地面跟踪网。 第二阶段为全面研制和试验阶段。从1 9 7 9 年到1 9 8 4 年，又陆续发射了7 颗试验卫星， 研制了各种用途接收机。实验表明，g p s 定位精度远远超过设计标准。 第三阶段为实用组网阶段。1 9 8 9 年2 月4 日第一颗g p s 工作卫星发射成功，表明g p s 系统进入工程建设阶段。1 9 9 3 年底实用的g p s 网，即( 2 1 + 3 ) g p s 星座已经建成，今后将 根据计划更换失效的卫星。 4 、g p s 系统的组成 g p s 系统一共由三部分组成：空间部分、控制部分和用户g p s 接收机部分。空间和控 制部分由美国军方设计和控制，用户部分主要是各种型号的g p s 接收机。g p s 技术的应用 主要是指g p s 接收机在各种领域的应用。 ( i ) 空间部分 g p s 系统空间部分是指由多颗g p s 卫星组成的星座。 该星座由2 4 颗卫星组成，均匀分布在6 个倾角为5 5 度的轨道面上，每个轨道有4 颗 南京信息工程大学硕士论文 基于微处理器a r m 的g p s 接收机的设计 卫星。其中3 颗卫星作为有源备份卫星在轨运行。这些卫星以约1 2 小时的周期运行在地球 表面以上2 0 0 2 0 千米的六个近圆轨道面上，形成覆盖全球的卫星网。可使地球上的任何地 方至少能观测到6 - l l 颗卫星。这对于一次有效定位是足够的。 ( 2 ) 控制部分 控制部分由1 个主控站，5 个全球监测站和3 个地面监测站组成。 每个监测站配有g p s 接收机。监测站的主要任务是对每颗卫星进行观测，并向主控站 提供观测数据。 主控站采集各个监测站传过来的数据，根据采集的数据计算每一颗卫星的星历，时钟 校正量，状态参数，大气校正量等，并按一定格式编辑成导航电文传送到注入站。 地面控制站也称作地面天线，地面控制站与卫星之间有通信链路。由主控站传来的卫 星星历和时钟参数以s 波段射频上行注入到各个卫星。 ( 3 ) 用户设备部分 用户设备主要是各种类型的g p s 接收机、数据处理软件及相应的用户设备。用户设备 的主要任务是接收g p s 卫星发射的信号，以获得必要的导航和定位信息及参数，经过数据 处理，完成导航和定位等工作。 5 、g p s 系统的应用与发展前景 近些年来，由于g p s 系统能够提供位置、速度和时间信息，g p s 应用越来越广泛， 涉及到国民经济的各个领域。o p s 应用于导航主要是为船舶、汽车、飞机等运动物体进行 定位导航。例如：船舶远洋导航和进港引水、飞机航路引导和进场降落、汽车自主导航及 地面车辆跟踪、城市智能交通管理以及紧急救生；g p s 应用于授时校频主要是在电力、邮 电、通讯等网络的时间同步中提供准确时间和频率的授入；g p s 应用于高精度测量主要是 各种等级的大地测量、控制测量、水下地形测量及g i $ 应用等。 随着全球范围内通信、导航和计算机技术的不断融合，使传统的g p $ 应用领域不断得 到扩展，越来越多的g p s 接收机将嵌入到其他的通信、计算机、安全和消费类电子产品中， 如蜂窝电话、移动电脑、p d a 和手表等。目前，卫星定位系统已成为继通信、互联网之后 的第三个i t 新增长点，我国卫星导航系统民用市场需求前景广阔，除以车载导航为核心的 移动目标监控、管理与服务市场快速发展外，面向个人消费者的移动信息终端将大为流行。 g p s 接收机作为g p s 系统中的用户部分。是利用g p s 基本定位原理设计而成的能够 独立使用的全天候实时定位导航设备。性能良好的( 3 p s 接收机具有灵敏度高、存储量大、 外部接口齐全的特点。在信息时代，随着g p s 系统的应用越来越广，作为系统用户设备部 分的g p s 接收机，是国内外一些研究机构和公司的研发热点。据了解，美国的g a r m i n ( 高明) 公司是世界上生产g p s 产品的专业厂家，在g p s 定位导航领域一直走在世界晟 前列，特别是g p s 手持机的销售量世界第一。国内许多g p $ 的应用项目还需要依赖国外 o e m 产品的进口，而且许多民用g p s 接收机的实时性能和定位精度不高。 2 南京信息工程大学硕士论文基于微处理器a r m 的g p s 接收机的设计 1 2a r m 与a r m 7 t d m l 处理器 a r m ( a d v a n c e d r i s c m a c h i n e ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类 微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字p i 。 根据内核的不同，a r m 处理器主要分为a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 、s e e u r c o r e 系列1 4 1 1 “。a r m 7 系列微处理器为低功耗的1 6 3 2 位r i s c 处理器，它主要用于对价位和功 耗要求比较苛刻的消费类产品。a r m 7 系列处理器支持1 6 位的t h u m b 指令集，使用t h u m b 指令集可以以1 6 位的系统开销得到某些处理器3 2 位的系统性能。a r m 7 t d m i 没有删u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) ，不支持w i n d o w sc e 和大部分的l i n u x 。 1 3 本文研究的内容 近些年来，由于g p s 系统能够提供位置、速度和时间信息，g p s 应用越来越广泛，涉 及到国民经济的各个领域。作为用户设备部分的g p s 接收机由三部分组成：导航信号接收 单元、导航信号处理单元和存储及人机接口单元，导航信号处理单元是核心部分。而其中， 直接影响到接收机的运算速度、定位精度、功耗等主要性能的是微处理器。 本文将主要探讨基于微处理器a r m 7 的g p s 接收机的设计过程。 国内此前采用以下方案 6 1 9 1 ：射频前端采用z a r l i n k 公司生产的g p 2 0 1 5 芯片完成射频 信号( i u ) 到中频信号( i f ) 的变换。导航信号处理单元采用z a r l i n k 公司生产的1 2 通 道相关器g p 2 0 2 1 芯片进行信号的解调、解扩、得到导航电文信息，微处理器采用a t m e l 公司生产的3 2 位a r m 核微处理器a t 9 1 r 4 0 0 0 8 芯片对信号通道进行控制完成对信号通 道数据的读取、判断、运算以及对它本身的工作参数的设定。 本文的设计参考该方案，并在导航信号处理单元的设计上作了改进。采用z a r l i n k 公司 生产的芯片g p 4 0 2 0 来实现这一部分的功能，g p 4 0 2 0 内含g p sc a 码1 2 通道相关器和 f i r e f l ym f i 嵌入式微控制器，该控制器内含a r m 7 t d m i 微处理器内核及其它外围接1 ：3 模 块，提高了系统的集成度和抗干扰性能。 南京信息工程大学硕士论文 基于微处理器a r m 的g p s 接收机的设计 第二章g p s 卫星定位基本原理 2 1g p s 卫星信号的构成 g p s 卫星信号是一种利用伪随机噪声码传送导航电文的调相信号。其载波处于l 波段， 其调制波是卫星电文和伪随机噪声码的组合码。g p s 卫星发送的导航电文，是一种不归零 二进制码组成的编码脉冲串，可以表述为数据码d ( t ) ，其速率为5 0 b p s ，换言之，d 码的码 率f d 为5 0 h z 。数据码d ( t ) ，包括卫星的星历、工作状态、时钟改正、电离层时延改正、大 气折射改正等信息它是导航和定位的数据基础。【1 0 】。 1 2 1 为了节省卫星的电能、增强g p s 信号的抗干扰性和保密性、实现遥远的卫星通讯，g p s 卫星采用伪噪声码对d 码进行二级调制，即先将d 码调制成伪噪声码( p 码和c a 码) ， 再将上述两种噪声码调制在l i ( 1 5 7 5 4 2 m h z ) 和l 2 ( 1 2 2 7 6 m h z ) 两载波上，形成向用 户发射的g p s 射频信号。 根据信息论的香农( c e s h a n n o n ) 定理，在高斯白噪声干扰条件下，通信系统容量为 c = b l 0 9 2 ( i + s n )( 2 1 1 ) 式中b 为通信系统的频带宽度，s 是信号的平均功率，n 为噪声功率【l ”。 上式表明，当系统容量c 一定时，增大频带宽度b 。可以减小信噪比s n 。我们可以 用增大系统带宽的办法降低所要求的信噪比，或者说用很小的发射功率，便可实现遥远的 卫星通讯。这对于电能紧张的g p s 卫星，是极为有益的而且信号深埋在噪声中，不易被 他人捕获，具有极好的保密性。 g p s 信号包括两种载波( l 1 、l 2 ) 和两种伪噪声码( p 码和c a 码) ，其中l 1 调制有 p 码、c a 码和d 码：l 2 调制有p 码和d 码。这些均为双相移相键控调制( d p s k ) ，这四 种g p s 信号的频率均源于1 0 2 3 m h z ( 星载原子钟的基频) 的基准频率。基准频率与各信 号频率之间存在一定的比例，见表2 1 所示。 s l l ( t ) = a ，只u ) d ，( t ) c o s ( 6 0 i t + 氟。) + a o g ( f ) d ，( t ) s i n ( c a t + 识f ) 、 s l 2 ( t ) = 马只o ) d j ( t ) c o s ( t + 丸，) 、 式中；a ，、马分别为厶载波( 1 9 c m ) 和l 2 载波( 2 4 c m ) l ￥j 振幅，只( r ) 、g f p ) 、d t ( f ) 分别 为第i 颗g p s 卫星的p 码、c a 码和d 码；、她分别为1 9 c m 载波和2 4 c m 载波的角频 率，两者的频率分别为以1 = 1 5 7 5 4 2 m h z ，五2 = 1 2 2 7 6 0 m h z ，而、珐1 分别为第i 颗g p s 卫星的厶载波和厶载波的初相。g p s 卫星信号的产生如图2 1 所示。 4 南京信息工程大学硕士论文 基于微处理器a r m 的g p s 接收机的设计 国2 1g p s 卫星信号的产生框图 表2 ig p s 卫星信号的频率关系 基频f载频f l l载频f l 2 基准频率 1 0 2 3 m h z1 5 4 f1 2 0 f c a 码的码率f g f i o f l l 1 5 4 0f l 2 1 2 0 0 p 码的码率厶 f f l l 1 5 4 f l 2 1 2 0 d 码的码率f d f 2 0 4 6 0 0 f l l 3 1 5 0 8 4 0 0f l 2 2 4 5 5 2 0 0 0 其中，p 码为精确码。美国为了自身的利益，只供美国军方、政府机关以及得到美国 政府批准的民用用户使用。c a 码为粗码其定位和时间精度均低于p 码。普通接收机均 能接收。目前，全世界的民用客户均可不受限制地免费使用c a 码。 g p s 卫星上安装了精度很好的原子钟，以确保频率的稳定性。在载波上调制有表示卫 星位置的广播星历、用于测距的c a 码和p 码、以及其他系统信息，能在全球范围内，向 用户提供高精度、全天候、连续、实时的三维测速、三维定时和授时。 2 2g p s 定位的基本原理和方法 g p s 系统的定位过程可描述为：已知卫星的位置，测量得到卫星和用户之间的相对位 置，用导航算法解算得到用户的位置。因此，定位前需要知道两个条件：一是卫星的位置， 二是卫星与用户之间的相对距离。知道了这两个条件后方可算出用户当前所在的位置。 南京信息工程大学硕士论文 基于微处理罂a r m 的g p s 接收机的设计 2 2 1 卫星的位置 g p s 卫星的位置信息包括在卫星发射的信号中。卫星信号包括三种信号分量；载波、 测距码和数据码。内容有： ( 1 ) 卫星星历及星钟校正参数： ( 2 ) 测距时间标记； ( 3 ) 大气附加延迟校正参数； ( 4 ) 与导航有关的信息； 一般的g p s 接收机只能接收l l 信号。接收机根据特定的算法，能够从l 1 信号中提取 出数据码d m ，即导航电文。 导航电文的具体内容包括遥测码、转换码、第一数据块、第二数据块和第三数据块5 部分。 遥测码( t l m ) 位于每个予帧的第一个子码，作为捕获导航电文的前导。其中所含的 同步信号为各子帧提供了一个同步起点，使用户便于解释电文数据。 转换码( h o w ) 是各子帧的第二个子码，它的主要作用是帮助用户从已捕获的c a 码 转换到p 码的捕获。 第一数据块的主要内容是：卫星时钟校正参量及其数据龄期、星期的周数编号和大气 校正参量及卫星工作状态等。 第二数据块包括第二和第三子帧，它载有卫星的星历。这是g p s 定位中最常用的基本 数据。 第三数据块由第四子帧和第五子帧构成。它的内容为系统内所有卫星的粗略星历、粗 略时钟校正量、卫星识别及卫星工作正常与否的字符。每颗卫星的数据需要占用一个子帧， 该数据块的目的是使用户只要收到一颗卫星的信号就可以粗略知道其他卫星的情况。 当g p s 接收机接收到信号后，就可以根据这个编排格式提取出计算所需的数据。 2 2 2 卫星与用户问的相对距离 g p s 使用单向测距方法来测定某颗卫星与用户的相对距离。它使用两台时钟，一台在 用户接收设备上，一台在卫星上。计算卫星与用户之间的距离，实质上是通过比较g p s 接 收机中恢复的卫星钟和用户本身的时钟之间的差即测量卫星钟传播到用户所花的时闯一 传播时延得以实现。如果两时间精确同步，即两时钟信号同频同相，那么，利用距离等 于时间乘以光速的原理，得到卫星和用户间的真实距离r = c t 。 但是卫星钟和用户钟往往不能精确同步，当两者存在钟差a t 时，这样测得的距离并不 是用户和卫星间的真实距离，而是伪距( p s e u d or a n g e ) ，简称p r ，表示为p r = r + c a t ，t 取值是有正负的，用户钟慢于卫星钟取正，反之取负。 2 2 3 卫星信号的解算 用户接收机在接收到卫星发出后的无线电信号后，如果它有与卫星钟准确同步的时钟， 便能测量出信号到达的时间从而算出信号的空间传播时间。再用这个时间乘以信号在空 6 南京信息工程大学硕士论文 基于微处理罂a r m 的g p s 接收机的设计 间的传播速度便能求出接收机与卫星间的距离r ， r = ( m x ) 2 + ( n y ) 。+ ( z f z ) 2 ( 2 i 3 ) 式( 2 i 3 ) 中r 为观测量，( x i ，y i ，z d 为卫星的坐标，( 】【，y z ) 为接收机坐标。其中卫星坐 标为已知量，接收机坐标待求。这样，理想情况下，如果测得观测点与三颗卫星的距离， 便可确定三个未知数，即可完成定位。 实际上，一般接收机上的时钟不可能十分准确，因此由它测出的卫星信号在空间的传 播时间是不准确的。因而测出的距离也不准确，而是伪距。设接收机在接收卫星信号的瞬 间，接收机与卫星导航系统的钟差为定值t ，则上述公式就要改写成 r = ( 船一x ) 24 - ( y f 一力2 + ( z f z ) 2 + a t x c ( 2 1 4 ) 式中，c 为卫星信号传播速度常数，未知数比式( 2 1 _ 3 ) 多了个a t 。 这时，只要测出接收机距四颗卫星的伪距。便得到4 个这样的方程，如下： r = ( 五一z ) 2 + ( z y ) 2 + ( z l z ) 2 + a t c r 。： r = ( 月j x ) 2 + ( e y ) 2 + ( z 2 一z ) 2 + a t x c r = ( 托- x ) 2 + ( e - y ) 2 + ( z 3 一z ) 2 + r c r = ( 爿j x ) 2 + ( e - y ) 2 + ( z 4 一z ) 2 + r c 以上四个方程联立便可以解出四个未知量x , y , z 和a t ，即求出了接收机的位置，并可 将接收机的时间进行修正。g p s 卫星定位原理示意图如图2 2 所示。 卫星4卫星3卫星2卫星i 图2 2 卫星定位原理示意图 7 南京信息工程大学硕士论文基于微处理器a r m 的g p s 接收机的设计 2 2 4 g p s 定位的基本方法 根据获取g p s 信号距离测量方法的不同，g p s 定位的基本方法分为伪距测量、载波相 位测量、多普勒测量、卫星射电干涉测量等几种方式，为了精确定位，一台g p s 接收机往 往不是单纯采用一种测量方式，而是以某种方式为主，并辅以其他方式。 伪距测距是根据接收到的c a 码和电文内容，通过信号的发射和接收时间差的计算， 从而算出卫星和接收机之间的伪距。采用伪距观测量定位速度最快。 载波相位测量是测定g p s 载波信号在传播路径上的相位变化值，以确定信号传播距离 的方法。卫星至接收机的距离可根据下式计算： l ；五( 丸一丸) ( 2 i 5 ) 式( 2 i 5 ) 中，a 为载波波长，庐。为接收机收到信号时该信号在卫星上的相位，庐。为接收 机收到的信号的相位。用这种测量方法可以获得很高的精度同时由于它直接测量载 波相位，不受p 码的限制。 若按定位方式来划分，g p s 定位分为单点定位和相对定位( 差分定位) 。单点定位就是 根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，一般用于 车船等的概略导航定位。相对定位( 差分定位) 是根据两台以上接收机的观测数据来确定 观测点之间的相对位置的方法，它既可以采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量 和工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。 根据使用用途，g p s 接收机主要分为静态定位和动态定位两大类型。 ( 1 ) 静态定位 又称绝对定位，用户天线在跟踪g p s 卫星的过程中固定不动，g p s 接收机高精度地测 量g p s 卫星信号的传播时间根据g p s 卫星在轨的已知位置从而算得固定不动的用户 天线的三维坐标。 ( 2 ) 动态定位 是指用g p s 接收机测定一个运动物体的运行轨迹。g p s 接收机所位于的运动物体叫做 载体，它可以是陆地车辆、河海舰船、空中飞机等。按照这些载体的运行速度的快慢，又 将动态定位分为秒速为几米到几十米的低动态、秒速为一百米到几百米的中等动态和秒速 为几公里的高动态三种形式。所谓“动态定位”，就是载体上的g p s 接收机天线在跟踪g p s 卫星的过程中相对地球而运动，g p s 接收机利用g p s 卫星信号实时地测得运动载体的状态 参数。动态定位的特点是逐点测定运动载体的状态参数，多余观测量较少，精度较低。从 目前动态定位的精度来看，可以分为2 0 米左右的低精度，5 米左右的中等精度，0 5 米左 右的高精度。导航和动态定位虽难以严格区分，但导航侧重于“引导”，一般它要求测定运 动载体的七维状态参数( 三维位置、三维速度和时间) 。因此，导航是一种广义的动态定位。 在g p s 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在 定位计算时还耍受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消 或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电 南京信息工程大学硕士论文 基于微处理器a r m 的g p s 接收机的设计 离层误差的主要部分。在精度要求高，接收机间距离较远时( 大气有明显差别) ，应选用双 频接收机。 实际设计g p s 接收机时，可以根据使用目的的不同来选择设计方案。本论文的初步设 计目标是设计一种高性能的g p s 接收机它使用l1 信号进行导航定位，能够傲到快速准 确的静态定位。 2 2 5 g p s 信号的相关接收 接收机在接收g p s 卫星扩频信号时，本机产生的伪随机码信号和卫星的伪随机码信号 码位对齐，完成对卫星信号的跟踪和锁定，这一过程称为相关接收。一方面能将所需信号 恢复到原始的窄带数据信号，另一方面将不相关的信号如各种干扰、外界噪声以及其他g p s 信号等保持为扩展的宽带信号。此信号经滤波后，使有用信号通过，将无用信号滤除，大 大提高了信噪比。 下面以c a 码调制l 1 载波为例，说明其相关接收的数学过程。 g p s 卫星信号是由数据码d ( 1 ) 和c a 码模2 加，然后对l 1 载波进行相移键控( p s k ) 调制的宽带频谱信号。 i ( f ) 2 a o c a ( t ) d ( t ) s i n ( o x + # ) ( 2 1 6 1 在接收机天线端，处理接收有用的s u c 0 信号外，还存在着其他干扰。其形式为： 三 s l o ) = s ( f ) + s i f t ) + 行0 ) 十，。p ) “ ( 2 1 7 ) 月 式中： s i ( t ) 为其他几个暂不跟踪的g p s 信号，称为邻站干扰。n ( t ) 为噪声信号，。( f ) j = l 为其他干扰。 在接收机内，本机伪随机码c a ( t ) 与接收到的信号相乘，即完成相关接收。 c 4 ( ，) c 一( f ) ；l 接收到的信号为； l 4 d ( t ) s i n ( ( 0 1 + 彩+ t y ：s j ( t ) + ”( f ) + j 。o ) c 爿0 ) “ ( 2 1 8 ) 从式中可以看出，第一项为接收到的有用信号，其中已不包括c i a ( 1 ) 码，只有数据码 d ( 1 ) 对载频的p s k 调制信号。式中的后三项：邻站信号干扰、噪声干扰和其他干扰，因为 与c a ( t ) 相乘，仍是一宽带信号。利用低通滤波器可以将其滤掉。这一过程由延迟锁定环 ( d l l ) 或称码跟踪环完成，如图2 3 所示。 9 南京信息工程大学硕士论文 基于微处理器a r m 的g p s 接收机的设计 圈2 3 码跟踪环( d l l ) 原理圈 图2 3 中的环路滤波器和压控时钟构成反馈环路，起到自动调节本地码的作用，引导 本地码跟踪和同步接收码。例如，g p s 接收机接收到了c a 码，这时候尽管数据码d 的速 率很低，载波频率比c a 码的码率高得多，为了简化论述，暂不考虑两者的影响，只讨论 c a 码( 以g ( 0 表示，且略去有关时延) 。首先考查乘法器m i 、m 2 的输出。接收到的c a 码g ( 0 分别送到乘法器m i 、m 2 ，后者又分别加有本地码g ( t r 2 f ) 和g ( t + f 2 一, - ) 。当 本地码和接收码没有对齐时，本地码和接收码进行互相运算，其结果经过低通滤波器以后 相减，得到一个误差电压v 3 ( f ) ，它调节压控时钟。若时钟信号的相位滞后，误差电压v 3 ( f ) 迫使时钟加快，由时钟信号控制的本地码便随之而加速，直到本地码对齐接收码，若时钟 信号的相位超前，误差电压v 3 ( f ) 迫使时钟减慢，由时钟信号控制的本地码则随之减速 直到本地码和接收码同步为止。此时，本地码发生器所输出的本地码o 。( i ) 便等效于接收码 g ( 0 。乘法器m 0 的输出为g ( t ) g ( t ) d ( t ) s i n ( 什庐) ，因为g 。( 1 ) 和o ( t ) 已经对齐了，故g ( i ) g c c ) = l 。因此，乘法器m 0 通过低通滤波器所输出的信号是数据码和中频载波，即解扩信 号： u d = d ( t ) s i n ( 国什庐)( 2 1 9 ) 至此，伪噪声码跟踪环路便达n t 跟踪伪噪声码的目的。 由延迟锁定环输出的只是p s k 的调制信号，可利用载波跟踪环( p l l ，又称为c o s t a s 环) ，实现载波相位同步，从而解调出g p s 导航电文。 1 0 南京信息工程大学硕士论文 基于微处理器a r m 的g p s 接收机的设计 图2 4 载渡跟踪环( p l l ) 原理图 如图2 4 所示，来自伪噪声码跟踪环路的解扩信号u d 分别送到同向乘法器m i 和正交 乘法器m q 。压控振荡器的振荡信号为u o = s i n ( c o o t ) ( 为了论述方便，假定其振幅为1 ) 它也分别送到m i 和m q 。但是，送到正交乘法器的振荡信号是经过9 0 0 的移相故到达 m q 的振荡信号为u o = c o s ( m o t ) 。因此，两个乘法器m i 和m q 的输出信号分别为： u i = d ( t ) c o s q d c o s ( 2 c o o t + 妒) 】 ( 2 1 1 0 ) u q = d o ) 【- s 伽伊+ s i n ( 2 c o o t + 们】 ( 2 1 1 1 ) 上述两个信号经过各自的低通滤波器，滤除随时间变化项得到： u i = - 妄d ( t ) c o s q j ( 2 1 1 2 ) 啦= 寺d ( t ) s i n q i f 2 1 t 3 ) 上列两个信号同时送到差分乘法器m d ，其输出的误差电压为： 丢础，c o 咿圭d 跏伊2 扣明2 s i n 抽 亿钔 因为数据码d ( t ) 是一种取值为1 的二进制脉冲串，且其速率为每秒5 0 b i t ，d ( t ) 的自乘 等于i 。误差电压经过环路滤波器和环路乘法器m p 的滤波和补偿作用，送到压控振荡器， 用以调节后者的振荡频率。当压控振荡器的振荡频率被锁定在中频g p s 信号的中心频率上 时，则妒_ o ，这称为载波跟踪环路的相位锁定。这种情况下，同相乘法器m 】经过低通滤 波器输出的信号，才是一个纯净的数据码d ( t ) ，进而解释得到g p s 卫星所发出的导航电文。 南京信息工程大学硕士论文 基于微处理器a r m 的g p s 接收机的设计 第三章基于a r m 核的基带处理器芯片g p 4 0 2 0 3 1 基带处理器芯片g p 4 0 2 0 3 1 1g p 4 0 2 0 简介 g p 4 0 2 0 是一个完整的g p s 接收机数字基带处理器它结合了g p 2 0 2 1 的1 2 通道相关 器功能和先进的a r m 7 t d m i 微处理器，达到了较高的集成度水平，减少了g p s 接收机系 统成本，降低了功耗。增加了功能【1 4 1 。 g p 4 0 2 0 的相关器部分包括1 2 个相同的跟踪功能模块。每个通道包含对于捕获和跟踪 必需的所有元器件以及其他功能模块。如果不需要1 2 通道，单个通道可以不激活，以降 低功耗和处理器的负载。 g p 4 0 2 0 的微处理器部分包括f i r e f l ym f i 微控制器核，f i r e f l ym f i 微控制器核包括 a r m 7 t d m i 、t h u m b 指令、f i r e f l yb i x l l d 模块、j t a gi c e b r e a k 一+ ”调试接1 3 、u a r t 、b p , i l d 串行i o 、通用i o 和看门狗功能。 g p 4 0 2 0 具有：可配置的外部数据总线；工作电源电压3 3 v ；具有低功耗模式；1 p p su t c 输出；3 线式b i x l l d 串行输入输出( b s i o ) 接1 3 ；8 个通用输入，输出( g p i o ) 接1 ：3 ；引导r o m 允许通过u a r t 上载软件；8 k b 内部s r a m ：采用p q f p 1 0 0 封装：工作温度范围 4 0 0 c - - + 8 5 0 c 。 ， g p 4 0 2 0 可以与g p 2 0 1 5 和g p 2 0 1 0c a 码射频下变频器直接连接构成o p s 导航系统、 g p s 测量接收机等系统。 3 1 2 g p 4 0 2 0 内部结构 g p 4 0 2 0 的内部结构方框图如图3 1 所示， 2 南京信息工程大学硕士论文基于微处理器a r m 的g p s 接收机的设计 图3 1g p 4 0 2 0 的内部结构方框图 芯片内部包括1 2 通道的n a v s t a rg p sc a 码相关器0 2 c h a n n e ln a v s a rg p sc ac o d e c o r r e l a t o r ) 、z a r l i n kf i r e f l ym f l 微处理器核( 包含a r m 7 t d m it h u m b 微处理器) ，实时时 钟，8 k b 片上s r a m 和1 k b 引导r o m ，8 b i t 通用输入，输出接口，调试用r t a g 或者s s m 串行通道，系统定时器计数器3 线串行接口b s i o 看门狗，具有2 5 n s 分辨率的1 p p s ；( p u s e - p e r - s e c o n d ) 输出。灵活的系统时钟发生器能够使用来自晶体振荡器或者射频前端 t c x o 的时钟源。g p 4 0 2 0 具有完全可配置的存储器接口，允许使用1 6 b h 的外部存储器。 3 2a r m 7 t d m i 内核 3 2 1a r m 7 t d m i 内核特性m 1 。m 1 ( 1 ) 3 级流水线 a r m 7 t d m i 使用3 级流水线处理指令，需要三个阶段处理一条指令：取指令、译指令、 南京信息工程大学硕士论文 基于微处理罂a r m 的g p s 接收机的设计 执行指令。采用3 级流水线的处理方式，可以大大提高指令执行效率。通常，在执行一条 指令时同时解释下一条，而第三条指令也正在从存储器中读出来。因此，程序计数器一 直指向下一条耍执行的指令的地址，而不是当前正在执行的指令的地址。 ( 2 ) 存储器的访问 a r m t t d m i 的存储通过冯诺伊曼结构进行组织，指令和数据通过公用的3 2 位数据 总线进行传输。只有装载( l o a d ) 、存储( s t o r e ) 和交换( s w a p ) 指令可以从存储器中访 问数据。a r m 7 t d m l 支持8 位( 字节) 、1 6 位( 半字) 和3 2 位( 字) 的数据格式。当数 据格式为半字或字时，可以以小端( 1 i t t l e e n d i a n ) 和大端( b i g - e n d i a n ) 的方式存储。 ( 3 ) 嵌入式片内实时仿真逻辑 嵌入式片内实时仿真( e m b e d d e d l c e - r t ) 逻辑为a r m 7 t d m i 提供片上调试接口。利 用它可以方便设置程序断点和观察点。它包含一个调试通讯通道，用来在目标板和主调试 器之间传递信息。通常可以使用j t a g 方式控制测试访问端口( t a p ) 。 ( 4 ) 操作模式( o p e r a t i o nm o d e ) a r m 7 t d m l 支持如下几种操作模式： 用户( u s e 0 ：执行程序的标准状态模式 快速中断( f i g ) ：用来支持数据传输或快速中断处理 中断( i r q ) ；用来处理一般中断的中断模式 管理( s v e ) ：操作系统的保护模式4 中止( a b t ) ：当取指令或数据发生中断时 系统( s y s ) ：操作系统的一种优先级用户模式 未定义( u n d ) ：当执行到一种未定义的指令时 操作模式的切换可以由软件来控制，也可以因为外界中断或异常处理而导致发生。大 多数应用程序工作在用户模式。非用户模式可称之为优先模式，通常都是用来为中断或异 常提供服务或者用来访问受保护的资源。 ( 5 ) 寄存器 a r m 7 t d m i 内核一共有3 7 个寄存器： 3 1 个通用3 2 位寄存器 6 个状态寄存器 但是对于用户或程序而言。并不是所有的寄存器都可用。需要由处理器状态( 等待、 运行、空闲状态) 和操作模式共同决定当前可用的寄存器组合。 3 2 2 a r m 7 t d m i 内核指令集 a r m 7 t d m 内核支持两种指令集”u 】： 3 2 位a r m 指令集 1 6 位t h u m b 指令集 通常，微处理器内部的指令和数据的带宽是一致的。因此相比较1 6 位的结构，3 2 位 结构在处理3 2 位的数据时具有更高的性能和更大的寻址空间。 1 4 南京信息工程大学硕士论文基于微处理器a r m 的g p s 接收机的设计 1 6 位结构的指令代码短，程序代码更精炼，而性能大致是3 2 位结构指令的一半。为 此a r m 公司推出了t h u m b 指令集，以实现比1 6 位结构指令更高的性能，同时获得比3 2 位结构指令更精炼的代码。 t h u m b 指令集是常用的3 2 位a r n i 指令集的一个子集。每个t h u m b 指令的长度为1 6 位。一一对应于一个3 2 位a r m 指令。在标准的a r m 寄存器配置下，t h u m b 指令也可以 工作，因此具有良好的互动性。通常，在执行t h u m b 指令的时候，t h u m b 指令首先被实时 地翻译成对应的3 2 位a r m 指令。 3 2 3 a r ma d s 集成开发环境 a r m a d s ( a r m d e v e l o p e rs u i t e ) ，是a r m 公司推出的新一代a r m 集成开发工具， 用来取代a r m 公司以前推出的开发工具a r ms d t ，目前a r ma d s 的最新版本为 1 , 2 1 2 1 】【2 2 】。a d s 使用c o d e w a r r i o ri d e 集成开发环境替代了s d t 的a p m ，使用a x d 替换 了a d w ，现代集成开发环境的一些基本特性如源文件编辑器，窗1 3 驻留等功能在a d s 中 也得以体现。 a r m a d s 支持所有a r m 系列处理器包括最新的a r m 9 e 和a r m i o ，除了a r ms d t 支持的运行操作系统外还可以在w i n d o w s 2 0 0 0 m e 以及r e d h a tl i n u x 上运行。 a r m a d s 由六部分组成： 代码生成工具( c o d eg e n e r a t i o nt o o l s ) 代码生成工具由源程序编译、汇编、链接工具集组成。 集成开发环境( c o d e w a r r i o r1 1 9 ef r o mm e t r o w e r k s ) c o d e w a r r i o ri d e 是m e t r o w e r k s 公司一套比较有名的集成开发环境，有不少厂商将它 作为界面工具集成在