采用JFM7201的北斗基帶數(shù)字接收通道設(shè)計(jì)※

汪健，張磊，陳亞寧，余向陽(yáng)，徐叔喜

（北方通用電子集團(tuán)微電子部，蘇州215163）

引 言

北斗系統(tǒng)現(xiàn)有的有源定位技術(shù)體制決定了其用戶終端設(shè)備須能收能發(fā)，在技術(shù)應(yīng)用上有通信功能，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。但這種體制也使用戶終端制造成本增加，加上終端設(shè)備用戶少，所以目前市場(chǎng)價(jià)格偏高，多數(shù)用戶難以接受[2]。用戶終端設(shè)備價(jià)格昂貴的北斗系統(tǒng)在市場(chǎng)上是無法與GPS系統(tǒng)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的，因此必須大力發(fā)展相關(guān)技術(shù)，增加北斗與GPS競(jìng)爭(zhēng)的籌碼。北斗基帶接收通道是用戶終端的核心之一，是需要首先解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1 北斗接收機(jī)的工作原理

1.1 接收機(jī)概述

北斗接收機(jī)主要由4個(gè)部分組成：天線單元、射頻前端信號(hào)處理單元、基帶信號(hào)處理單元和信息輸出單元。天線單元用于接收北斗射頻信號(hào)；射頻前端信號(hào)處理單元通過射頻前端放大、下變頻，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，再經(jīng)過A/D采樣將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；基帶信號(hào)處理單元接收A/D轉(zhuǎn)換采樣后的數(shù)字信號(hào)，在其中完成捕獲、跟蹤、解調(diào)、幀同步以及定位解算等功能；信息輸出單元為用戶提供定位結(jié)果、時(shí)間等信息。北斗接收機(jī)基本構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 北斗接收機(jī)基本構(gòu)成框圖

基帶信號(hào)處理單元通過處理射頻前端所輸出的數(shù)字中頻信號(hào)，復(fù)制出與接收到的衛(wèi)星信號(hào)相一致的本地載波和本地偽碼信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗信號(hào)的捕獲與跟蹤，并且從中獲得偽距和載波相位等測(cè)量值，解調(diào)出導(dǎo)航電文?？梢钥闯?，基帶信號(hào)處理在接收機(jī)中是一個(gè)非常重要的部分。

1.2 接收機(jī)的工作過程

在北斗信號(hào)的發(fā)射端，北斗載波信號(hào)上調(diào)制有P碼、C/A碼和導(dǎo)航電文的數(shù)據(jù)，那么相應(yīng)地在北斗信號(hào)接收端，為了能從接收到的衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)出導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)碼，基帶信號(hào)處理需要通過混頻徹底分離數(shù)字中頻信號(hào)中的載波信號(hào)，并且該載波信號(hào)還包含了多普勒頻移。此外，還要通過相關(guān)的運(yùn)算再?gòu)氐讋冸x信號(hào)中的C/A碼，這樣剩下的信號(hào)便是經(jīng)過雙相移位鍵控（BPSK）調(diào)制的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)碼，即發(fā)射的信號(hào)。

為了獲得導(dǎo)航電文，接收通道通過碼跟蹤環(huán)路不斷調(diào)整其內(nèi)部所復(fù)制的載波，使復(fù)制的載波頻率與數(shù)字中頻信號(hào)中的載波頻率保持一致，然后經(jīng)過下變頻混頻實(shí)現(xiàn)載波的去除。同時(shí)，接收通道通過碼跟蹤環(huán)路，不斷調(diào)整其內(nèi)部所復(fù)制的C/A碼，使復(fù)制C/A碼的相位與數(shù)字中頻信號(hào)中的C/A碼相位保持一致，然后經(jīng)過碼相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)C/A碼的剝離。

因?yàn)樵诘孛嫔先我庖稽c(diǎn)能同時(shí)觀察到的衛(wèi)星數(shù)目一般不超過12顆，所以信號(hào)通道數(shù)N是一個(gè)小于12的常數(shù)，通常為8～12通道[3]。如果是兼容GPS或GLONASS的話，通道數(shù)量會(huì)更多一些。

2 接收通道的工作原理

接收天線是北斗接收機(jī)處理衛(wèi)星信號(hào)的首個(gè)器件，它將接收到的北斗衛(wèi)星所發(fā)射的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號(hào)，由于信號(hào)比較弱，經(jīng)前置濾波器和前置低噪聲放大器后，再與本振信號(hào)進(jìn)行混頻而下變頻成中頻信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)比模擬信號(hào)處理更有優(yōu)勢(shì)，所以由模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字中頻信號(hào)，進(jìn)入后續(xù)的基帶信號(hào)處理。

當(dāng)接收到的衛(wèi)星信號(hào)被數(shù)字化之后，先要完成信號(hào)的捕獲處理，捕獲階段是針對(duì)某顆衛(wèi)星的信號(hào)進(jìn)行搜索，捕獲到信號(hào)之后進(jìn)入跟蹤處理環(huán)節(jié)。通過對(duì)信號(hào)的跟蹤，找到數(shù)據(jù)相位變化的位置。在傳統(tǒng)的接收機(jī)中，捕獲和跟蹤都是由硬件來完成的，根據(jù)每一個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)相位的變化得到導(dǎo)航電文的每一個(gè)子幀和完整的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。從導(dǎo)航電文中可以得到星歷和偽距，由星歷數(shù)據(jù)可以推算出相應(yīng)衛(wèi)星的位置，最后利用衛(wèi)星的位置和偽距來計(jì)算出當(dāng)前接收機(jī)所在的位置。

2.1 信號(hào)的捕獲

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)采用的是擴(kuò)頻通信體制，對(duì)于擴(kuò)頻系統(tǒng)來說，捕獲是指使本地參考碼和接收碼的相位差小于一個(gè)碼元寬度，且收發(fā)碼時(shí)鐘頻率基本一致，同時(shí)使載波相位相互對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與本地信號(hào)的粗同步。因此，對(duì)于衛(wèi)星信號(hào)的捕獲來說包括兩個(gè)部分：偽碼的捕獲和載波的捕獲。

衛(wèi)星信號(hào)采用碼分多址（CDMA）技術(shù)，不同的偽隨機(jī)碼對(duì)不同衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。為了能夠搜索并處理某一衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，就必須復(fù)現(xiàn)調(diào)制該導(dǎo)航數(shù)據(jù)的偽隨機(jī)碼，將本地復(fù)現(xiàn)的偽碼同輸入的偽碼在不同相位差上做相關(guān)運(yùn)算，直到二者同步為止，進(jìn)一步可以完成對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解擴(kuò)，這稱為“偽碼捕獲”。由于衛(wèi)星在高速運(yùn)動(dòng)，其與接收機(jī)之間存在徑向移動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。因此為完成對(duì)某一衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解調(diào)，必須搜索到相應(yīng)衛(wèi)星所產(chǎn)生的多普勒頻移的數(shù)值，這稱為“載波捕獲”。

因此，衛(wèi)星信號(hào)捕獲過程可以認(rèn)為是一個(gè)三維的搜索，第一維是從偽碼的方向，第二維是從多普勒頻移的方向，第三維是從偽碼相位的方向。一旦捕獲過程中能夠成功地偵測(cè)到衛(wèi)星信號(hào)的存在，就給出了衛(wèi)星信號(hào)、相應(yīng)的多普勒頻移及偽碼相位，三維的搜索全部完成后，信號(hào)捕獲的任務(wù)才算完成。這些信息進(jìn)而會(huì)送給信號(hào)跟蹤模塊，完成初始化并開始對(duì)信號(hào)的跟蹤過程。

常規(guī)的捕獲做法是時(shí)域中基于硬件相關(guān)器的信號(hào)捕獲，捕獲的過程如圖2所示。

圖2 捕獲的過程

中頻數(shù)字信號(hào)首先和本地載波的正弦與余弦分量相乘混頻，得到I和Q兩路分量，然后再分別和本地偽碼在某個(gè)偽碼相位處做相關(guān)運(yùn)算，經(jīng)過積分器的相干積分給出各自的積分結(jié)果I（t）與Q（t），再做非相干積分得到信號(hào)的模，最后對(duì)此非相干積分結(jié)果做閾值判斷?？刂齐娐肥怯脕砜刂票镜剌d波的頻率，在某一個(gè)固定載波頻率處，調(diào)整本地偽碼的相位，相位調(diào)整的范圍是由擴(kuò)頻碼的碼片個(gè)數(shù)決定的，對(duì)GPS而言是1 023個(gè)碼片，北斗是2 046個(gè)碼片。對(duì)于每一個(gè)載波頻率和偽碼相位，I和Q相關(guān)器輸出相關(guān)結(jié)果，經(jīng)過相干積分與非相干積分得出最后的積分值。如果當(dāng)前載波頻率值完成所有碼片的相關(guān)運(yùn)算后還沒有得到超出閉值的尖峰，則改變當(dāng)前載波頻率，然后再重復(fù)所有2 046個(gè)偽碼相位的搜索。這個(gè)步驟就是針對(duì)某一個(gè)偽隨機(jī)噪聲碼的二維搜索，當(dāng)完成所有可能的載波頻率和偽碼相位，依然沒有滿足要求的相關(guān)尖峰出現(xiàn)時(shí)，就可以說當(dāng)前接收到的衛(wèi)星信號(hào)不含有該偽碼，也就是不含有當(dāng)前假設(shè)的這一顆衛(wèi)星的信號(hào)，于是控制邏輯就要考慮換一顆衛(wèi)星來匹配，即改變當(dāng)前的偽隨機(jī)碼。

2.2 信號(hào)的跟蹤

一般來說，根據(jù)信號(hào)捕獲的結(jié)果，對(duì)載波多普勒的估計(jì)誤差在幾百Hz左右，對(duì)偽碼相位的估計(jì)誤差在半個(gè)碼片范圍之內(nèi)。這樣的精度不足以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)的解調(diào)，因?yàn)榻庹{(diào)數(shù)據(jù)通常必須是在進(jìn)入穩(wěn)定的跟蹤狀態(tài)以后才可以進(jìn)行。所以要想得到更加精確的衛(wèi)星信息，捕獲之后還必須進(jìn)行后續(xù)的跟蹤環(huán)節(jié)。

跟蹤模塊在捕獲模塊送來的多普勒頻移和偽碼相位的基礎(chǔ)上，需要完成的工作有兩部分：一是實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)中載波信號(hào)的跟蹤，二是實(shí)現(xiàn)對(duì)偽碼分量的跟蹤。為了達(dá)到這個(gè)目的，在設(shè)計(jì)的每個(gè)跟蹤通道內(nèi)都會(huì)設(shè)置兩個(gè)跟蹤環(huán)：一個(gè)負(fù)責(zé)跟蹤載波，叫載波環(huán)；另一個(gè)負(fù)責(zé)跟蹤偽碼，叫碼環(huán)。在實(shí)際工作的過程中，這兩個(gè)環(huán)必須緊密耦合在一起，而且要想進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)，這兩個(gè)環(huán)路都必須處于穩(wěn)定的鎖定狀態(tài)。跟蹤過程如圖3所示。

圖3 跟蹤環(huán)路工作過程

同相載波和中間載波與中間碼的積分后，輸出到載波環(huán)路鑒相器，得到誤差信號(hào)，然后通過載波環(huán)路濾波器反饋到偽碼發(fā)生器，從而控制本地載波的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)載波環(huán)的跟蹤功能。同相載波和中間載波與超前碼和滯后碼積分后，通過偽碼鑒相器得到誤差信號(hào)，然后通過碼環(huán)濾波器反饋到偽碼發(fā)生器，控制本地偽碼的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)碼環(huán)的跟蹤功能。實(shí)現(xiàn)本地偽碼的調(diào)整，即實(shí)現(xiàn)碼環(huán)的跟蹤功能[4]?？梢钥闯?，兩個(gè)環(huán)路必須緊密地耦合在一起。

載波環(huán)路需要相位對(duì)齊的偽碼輸入的擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)，而偽碼環(huán)路則需要相位同步的載波信號(hào)將中頻信號(hào)變到基帶信號(hào)。正如圖3中，偽碼環(huán)路內(nèi)中間碼的作用是輸出給載波環(huán)路作為偽碼剝除之用，同時(shí)，載波環(huán)路的反饋則用來調(diào)整產(chǎn)生本地的載波和偽碼。所以，任何一個(gè)環(huán)路出現(xiàn)失鎖，都會(huì)嚴(yán)重影響到另一個(gè)環(huán)路的正常工作狀態(tài)，兩個(gè)環(huán)路協(xié)同工作，缺一不可[5]。

通過上述整個(gè)工作過程的介紹，可以看到北斗接收機(jī)硬件功能實(shí)現(xiàn)集中在基帶模塊、捕獲與跟蹤的功能之上，決定了接收機(jī)最終的性能。

3 北斗基帶數(shù)字接收通道的設(shè)計(jì)

3.1 采用JFM7201的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基帶信號(hào)處理模塊通常表現(xiàn)為軟件和硬件的結(jié)合，載波解調(diào)和解擴(kuò)通常由專用電路的形式來完成。GPS芯片模塊和基帶芯片市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，各廠商在近兩年內(nèi)推出的單純基帶處理芯片獨(dú)立定位性能基本接近，區(qū)別主要在芯片的設(shè)計(jì)方案和輔助功能上。隨著國(guó)內(nèi)多家單位成功研制射頻芯片、基帶芯片和接收機(jī)模塊，我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航芯片在核心技術(shù)上取得了新的突破。但總體來看，相比國(guó)外芯片，國(guó)內(nèi)GNSS基帶與射頻芯片在功耗、靈敏度、產(chǎn)品穩(wěn)定性、應(yīng)用解決方案等方面與國(guó)外尚有一定的差距[6]。

JFM7201是一款用于北斗基帶信號(hào)處理的專用電路，可以接收北斗B1/B3頻點(diǎn)、GPS L1頻點(diǎn)的數(shù)字中頻導(dǎo)航信號(hào)。該基帶芯片與精密測(cè)距碼芯片（PRM）配合，可以完成對(duì)設(shè)定導(dǎo)航信號(hào)的捕獲、跟蹤、導(dǎo)航電文解調(diào)解碼、原始觀測(cè)量提取等功能，并可以通過數(shù)據(jù)總線接口輸出導(dǎo)航電文、原始觀測(cè)量和基帶芯片的工作狀態(tài)等信息?；鶐酒c用戶設(shè)備中的微處理器共同完成用戶位置、速度、時(shí)間等（PVT）信息的解算[7]。

采用JFM7201設(shè)計(jì)的北斗接收通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

天線接收的衛(wèi)星信號(hào)送入射頻模塊實(shí)現(xiàn)下變頻功能，同時(shí)產(chǎn)生62 MHz時(shí)鐘與A/D采樣后的中頻數(shù)據(jù)一并送入基帶芯片進(jìn)行解算，產(chǎn)生NIMA0183格式導(dǎo)航信息，由DSP開發(fā)板或?qū)Ｓ脤?dǎo)航定位軟件解譯出導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)計(jì)算三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間等所需數(shù)據(jù)。左邊虛線中的部分為本設(shè)計(jì)的主要部分。

圖4 接收通道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 JFM7201的初始化

JFM7201芯片初始化流程如圖5所示。

在對(duì)芯片進(jìn)行初始化之后，還要配置相應(yīng)的寄存器，通過讀取RTC時(shí)間或其他方式獲取有效時(shí)間，并進(jìn)行時(shí)間格式轉(zhuǎn)換，如RTC時(shí)間需轉(zhuǎn)為TIC寄存器時(shí)間格式，根據(jù)需要還要修正TIC時(shí)間。開啟中斷使能后，芯片可以開始工作。

3.3 北斗基帶接收通道的設(shè)計(jì)

圖5 JFM7201的初始化流程圖

中頻信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后送入基帶芯片，DSP芯片通過配置JFM7201內(nèi)部捕獲寄存器、跟蹤控制寄存器、中斷請(qǐng)求等控制其操作過程，導(dǎo)航電文生成后交由DSP提取PVT等信息。其中，SIM IC卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密功能，PRM為精密測(cè)距碼芯片，在本次設(shè)計(jì)中沒有使用。采用JFM7201設(shè)計(jì)的北斗接收通道原理圖略——編者注。

在本設(shè)計(jì)中暫時(shí)沒有采用軍碼直捕模式，因此PRM模塊以及相應(yīng)的接口做了屏蔽處理。如果需要將該模塊直接接上便可以使用。模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用ADI公司的AD9288芯片，該芯片可實(shí)現(xiàn)兩路中頻同時(shí)采樣，輸出4位位寬數(shù)字信號(hào)，通過AD＿DFS端口控制輸出格式。本設(shè)計(jì)雖然可以兼容B1/L1頻點(diǎn)，但是采用切換方式換頻，B1/L1并非同時(shí)工作，在設(shè)計(jì)中將AD9288設(shè)置為單通道工作模式，工作時(shí)僅打開B通路，對(duì)B路中頻信號(hào)源采用專用電纜線接入，對(duì)A路時(shí)鐘源通過跳線控制以降低功耗。

JFM7201芯片完成捕獲、跟蹤、定位解算、導(dǎo)航電文解調(diào)解碼、原始觀測(cè)量提取等功能，通過解調(diào)星歷，輸出NMEA0183協(xié)議數(shù)據(jù)。芯片提供兩路數(shù)字輸入通道，外接提供62 MHz工作時(shí)鐘，提供與處理器16位數(shù)據(jù)總線通信、12位地址總線、讀寫、片選、中斷接口，支持UART、SPI、GPIO、I2C總線輸出。

采用DSP芯片TMS320C6713實(shí)現(xiàn)對(duì)基帶芯片的配置、控制與數(shù)據(jù)通信，該芯片時(shí)鐘輸入為50 MHz，通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)下載。

3.4 信號(hào)捕獲的過程

基帶芯片配置結(jié)束后，可以正常進(jìn)入捕獲狀態(tài)。芯片首先檢測(cè)捕獲模塊狀態(tài)，如空閑可啟動(dòng)捕獲，否則不能啟動(dòng)。在芯片復(fù)位后默認(rèn)捕獲狀態(tài)是空閑，控制器需要自行記錄控制狀態(tài)。如果啟動(dòng)后認(rèn)為捕獲忙，在隨后的捕獲中斷中可以清除狀態(tài)為空閑，繼續(xù)進(jìn)入捕獲過程。在判斷是否空閑后，如果不空閑，則繼續(xù)等待。一旦空閑，則進(jìn)行碼型的判斷，確定判斷接收到的是P碼還是C/A碼。如果是P碼，配置相應(yīng)的碼相位參數(shù)。如果是C/A碼，配置捕獲控制寄存器，配置系統(tǒng)類型、衛(wèi)星號(hào)、頻點(diǎn)、碼型、使用通道號(hào)等。然后，可以啟動(dòng)捕獲模塊，此時(shí)需產(chǎn)生啟動(dòng)沿信號(hào)，并修改捕獲狀態(tài)為“忙”，等待捕獲中斷后查看捕獲結(jié)果。

基帶芯片完成捕獲、跟蹤、定位解算、導(dǎo)航電文解調(diào)解碼、原始觀測(cè)量提取等功能，解調(diào)星歷，輸出NMEA0183協(xié)議數(shù)據(jù)。SCL、SDA與RTC芯片以I2C總線協(xié)議通信。引出基帶地址、數(shù)據(jù)及相關(guān)控制信號(hào)便于DSP開發(fā)板連接。通過UART實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)發(fā)送，1PPs＿OUT輸出秒脈沖授時(shí)校準(zhǔn)。提供IC卡復(fù)位、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘端口SPI接口存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。PN碼同步過程分為捕獲（粗同步）和跟蹤（精同步）兩個(gè)階段。在本地PN碼與接收信號(hào)相關(guān)運(yùn)算后，驗(yàn)證通過后轉(zhuǎn)入PN碼跟蹤環(huán)路。

DSP主要完成的任務(wù)：數(shù)字混頻、偽碼相關(guān)、捕獲跟蹤。信號(hào)的解擴(kuò)通過本地偽碼信號(hào)和接收信號(hào)相乘實(shí)現(xiàn)。解擴(kuò)之后，恢復(fù)出原始的窄帶數(shù)據(jù)信號(hào)，同時(shí)噪聲、多址干擾等不相關(guān)的信號(hào)仍然保持為寬帶信號(hào)，經(jīng)過低通濾波器就可將雜質(zhì)信號(hào)的大部分濾除。解擴(kuò)后的信號(hào)根據(jù)北斗發(fā)送信息的幀格式來提取定位信息，根據(jù)需要解算出相應(yīng)的位置、速度和時(shí)間信息。

結(jié) 語(yǔ)

JFM7201是一款國(guó)產(chǎn)的北斗基帶信號(hào)處理電路，與相關(guān)的處理器配合可以較為方便地實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航定位功能，部分緩解北斗基帶信號(hào)自主國(guó)產(chǎn)化的壓力。采用上述的設(shè)計(jì)取得了比較好的測(cè)試效果，并在實(shí)際工程中得到了初步的應(yīng)用。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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