一种GPS接收机频率检测算法.pdf
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1、第 11 卷 第 3 期 导航定位学报 Vol.11,No.3 2023 年 6 月 Journal of Navigation and Positioning Jun.,2023 引文格式:刘亮亮,黄海生,李鑫,等.一种 GPS 接收机频率检测算法J.导航定位学报,2023,11(3):165-170.(LIU Liangliang,HUANG Haisheng,LI Xin,et al.A frequency detection algorithm for GPS receiversJ.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(3):165
2、-170.)DOI:10.16547/ki.10-1096.20230322.一种 GPS 接收机频率检测算法 刘亮亮,黄海生,李 鑫,张 弛(西安邮电大学 电子工程学院,西安 710121)摘要:为了进一步保证全球定位系统(GPS)硬件接收机跟踪环路成功地跟踪 GPS 卫星信号,设计一种用于时钟频率检测的算法:针对 GPS 硬件接收机中 L1 波段(中心频率为 1.575 42109 Hz)信号基带处理片上系统(SoC)所需要的时钟管理单元,通过将一个时钟信号到另一个时钟信号的边沿关联起来,准确计算出 2 个时钟的相对速率及其相位关系,使得每一个进入 SoC 的时钟信号之间都有明确的相位关系
3、和频率比,为整个系统提供精确的同步时钟源;该模块还能通过全球定位系统核心时钟检测出接收到的带有多普勒频移的粗捕获(C/A)码的频率,以及根据这些时钟源提供的中断给中断控制模块发送信号,以便对其时序协调管理。关键词:全球定位系统(GPS);时钟比率;粗捕获(C/A)码频率;频率检测;边沿对齐比率计数器 中图分类号:P228 文献标志码:A 文章编号:2095-4999(2023)03-0165-06 A frequency detection algorithm for GPS receivers LIU Liangliang,HUANG Haisheng,LI Xin,ZHANG Chi(Sc
4、hool of Electronic Engineering,Xian University of Post and Telecommunication,Xian 710121,China)Abstract:In order to further guarantee the tracking loop of the global positioning system(GPS)hardware receiver to track GPS satellite signals successfully,the paper designed an algorithm for clock frequen
5、cy detection:for the clock management unit required by the signal baseband processing on-chip system(SoC)in the L1 band(center frequency of 1.575 42 109 Hz)of GPS hardware receiver,the edges of one clock signal to another clock signal were correlated to accurately calculate the relative rate of the
6、two clocks and their phase relationship,so that each clock signal into SoC had a clear phase relationship and frequency ratio to provide an accurate synchronization clock source for the whole system;moreover,by the module,the received frequency of coarse/acquisition(C/A)code with Doppler shift was d
7、etected by the GPS core clock,and the signals were sent to the interrupt control module based on the interrupts provided by these clock sources for the coordinated management of their timing.Keywords:global positioning system(GPS);clock ratio;coarse/acquisition(C/A)code frequency;frequency detection
8、;edge alignment ratio counter 0 0 引言 在全球定位系统(global positioning system,GPS)硬件接收机的片上系统(system on chip,SoC)工作的时候,其内部工作时钟是极其重要的,需要时钟来确定在哪几个周期里面哪一个部件需要干什么事情,各个部件需要协同工作1-3。接收机中基带部分有 3 个不同频率的系统时钟,且用于捕获的不同于这 3 个时钟;因此为了对整个系统提供精确的同步时钟源,需要明确其每一个使用到的时钟与基准时钟之间精确的频率及其相位关系。同时 GPS 卫星所发射的信号从结构上可分为 3 个层 收稿日期:2022-11
9、-08 基金项目:陕西省重点研发计划项目(2022GY-011)。第一作者简介:刘亮亮(1996),男,陕西咸阳人,硕士研究生,研究方向为数字集成电路设计。通信作者简介:黄海生(1964),男,陕西榆林人,硕士,教授,研究方向为专用集成电路设计与系统研究。166 导航定位学报 2023 年 6 月 次,即载波、伪码和数据码。在这 3 个层次中,伪码和数据码一起先通过调制而依附在正弦波形式的载波上,然后卫星将调制后的载波信号播发出去4-5。为了能让接收机跟踪环路成功地跟踪 GPS卫星信号,接收机内部需要产生相应的载波和粗捕获(coarse/acquisition,C/A)码信号。只有当产生的复制
10、信号与接收信号吻合到一定程度,才能进行跟踪捕获6。因此测算出接收到的 C/A 码具体的频率和相位是捕获成功的关键。为了 SoC 可以正常工作和成功捕获 C/A 码,明确接收到的 C/A码和 SoC 系统各个时钟的频率及其相位显得尤为重要7-8。常用的频率检测方法分为周期测量法和频率测量法 2 种。周期测量法的原理是先测出被测信号的周期,然后根据频率为周期倒数求出被测信号的频率,实现方法为统计一个被测信号的周期内有多少个参考时钟,以此来求得被测信号的周期,存在较大误差;频率测量法是在一段时间内对被测信号的脉冲数进行统计,然后求出单位时间的脉冲数即为被测信号的频率,被测信号和参考时钟存在一定的错位
11、,因此也存在较大误差。本文针对以上问题,提出了一种可以实现对 SoC 系统中的各个工作时钟和接收到的 C/A 码的频率及其相位进行检测的算法。本设计在常用检测方法的基础上加入了边沿对齐比率计数器模块,此模块里有一个减计数器,每次减计数器的数值减到零时再进行采样,并且根据所选取参数的不同,每一次的采样点会进行超前或者滞后的滑动,对减计数器加载合适的参数值即可实现在 2 次参考时钟与采样时钟边沿对齐时的区间内计算频率,以此大大提高精确度。通过此算法可以使得所有进入到 GPS 接收机的时钟信号之间有一个明确的频率和相位关系,为整个系统提供精确的同步时钟源,其工作时钟直接来源于外部。基带处理的 SoC
12、 需要对众多的外部时钟源进行控制才能满足精确的捕获和跟踪需求,所以需要明确各个时钟的频率和相位,以便管理。1 1 边沿对齐比率计数器 边 沿 对 齐 比 率 计 数 器(edge aligned ratio counter,EARC)的目的是测量一个时钟相对于另一个时钟的比率,以此计算其频率;通过计算相同时间长度内 2 个时钟的周期数来实现9-10。同一段时间长度内,2 个时钟的频率比为 FCRFC=1221(1)式中:F1、F2分别为 2 个时钟的频率;C1、C2分别为这一段时间内 2 个时钟的周期数。如果 2 个时钟不是同步的,那么为了提高测量精度,可以增加测量间隔11。这提供了一种改进方
13、法,就是以牺牲测量时间和电路的功耗为代价来提高测量精度。该模块的目的是通过安排在 2 个时钟边缘对齐的时间点之间进行测量,在提高测量精度的同时可显著减少测量时间。这样,时钟周期的比率是整数值的比率,消除了非整数个周期所造成的误差。这种方法虽然不能完美地对齐边缘,但通常可以对齐到亚纳秒级别的精度。一个基本的 EARC 电路如图 1 所示。要测量的 2 个时钟是参考时钟和采样时钟。每个时钟驱动 2 个自由运行的连续计数器中的一个,标记为参考时钟计数器和采样时钟计数器。每个计数器有一个关联的寄存器,标记为参考计数寄存器和采样计数寄存器12。为了进行测量,在 2 个时钟的时钟边缘紧密对齐的时刻,寄存器
14、被加载计数器的值。加载后,微处理器(micro processor unit,MPU)读取寄存器值;为了计算频率比,读取的2 组计数器值,每组在边缘对齐点取,然后使用2 组计数器值的差值来计算频率比,则频率比 R 进一步可以表示为 ()()RefRefSmpSmpCCRCC=2121(2)式中:RefC1为第一次校准瞬间参考时钟计数值;RefC2为下一次校准瞬间参考时钟计数值;SmpC1为第一次校准瞬间采样时钟计数值;SmpC2为下一次校准瞬间采样时钟计数值。由于这些计数器值是在 2 个时钟边缘紧密对齐的点上捕获的,周期计数差异是整数值,因此保证了计算结果的高精度。为了在边缘对齐时捕获计数器值
15、,使用一个减计数器在参考时钟驱动下测量一定的间隔。该计数器在 EARC 电路图中标记为采样计数器。这个计数器初值由 2 个计数值R0和 R1装载。每当计数器值达到零时,参考时钟上升沿对采样时钟值进行采样13。这些样本用于检测采样时钟的边缘。采样和边缘检测过程如图 2所示。第 3 期 刘亮亮,等.一种 GPS 接收机频率检测算法 167 图 1 EARC 电路 图 2 边缘检测过程 图 2 中最上面的一行说明了当减计数器到达 0值时发生采样事件。在采样边缘,采样时钟被参考时钟边缘捕获。接下来 2 行说明了这个采样的过程,这 2 行一起被标记为样本 1,参考时钟的采样边缘指向所捕获的采样时钟。在样
16、本 1 事件中,捕获的值是 1,当减计数器达到零时,在采样器和边缘检测器的控制下,采样计数器重新加载 R0或 R1。因为样本 1 没有检测到边缘,且此时减计数器使 168 导航定位学报 2023 年 6 月 用的计数值为 R0。由于没有检测到边缘,R0值将再次被加载。在参考时钟的 R0个周期之后,采样计数器的值再次为零,采样时钟再次采样,如样本 2事件的 2 行所示,注意到采样值仍然是 1,但参考时钟的采样点相对于采样时钟略有超前。由于样本 1 和样本 2 的采样结果是相同的值并且没有检测到边缘,因此 R0再次加载到减计数器。在样本3 和样本 4,采样结果再次为 1,并再次加载 R0。最后,在
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