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DSP技术在GPS接收机设计中的应用研究
摘要:本文分析阐述了将通用可编程DSP芯片应用到便携式GPS接收机设计中的优越性，并通过一个设计实例说明了可编程DSP芯片在GPS接收机设计中的应用方式和软硬件。
关键词: 可编程通用DSP芯片；GPS接收机；应用处理模块
1 引言
DSP可以代表数字信号处理技术（Digital Signal Processing），也可以代表数字信号处理器(Digital Signal Processor)，其实两者是不可分割的。前者是指数字信号处理的理论和计算方法上的技术，后者是指实现这些技术的通用或专用可编程微处理器件（芯片）。当今流行的DSP芯片普遍采用数据总线和程序总线分离的哈佛结构或改进的哈佛结构，非常适于实时的数字信号处理。
GPS定位系统是一种由空间导航定位星座、地面监控系统、用户接收机三部分组成的全球化、实时导航定位系统，它可以为用户实时地提供三维位置信息和七维状态信息。近年来我国的GPS技术也在各个行业中取得了长足的发展。目前国内的低动态GPS定位接收机的技术已经相当成熟，但由于西方国家的技术封锁，我国的高动态GPS定位接收机的性能还比较落后，远不能满足军用领域的要求。所以充分利各种新技术资源，设计开发性能稳定、实用性强的高动态GPS信号接收机就成为了一个有较高探讨价值的课题。
本文讨论的就是一种使用可编程的DSP芯片作为GPS信号接收机的信号处理模块的设计思想，内容包括GPS信号接收机内部信号处理的算法及实现方法，以及应用DSP技术对提高GPS信号接收机(尤其是高动态接收机)性能的支持。
2 理论分析
GPS接收机的基本功能是接收来自卫星的GPS信号，并提供给用户数据观测量。GPS数据观测量包括伪距、多普勒频率、载波频率等原始GPS观测量以及位置、速度等用户所需的导航定位信息。接收机按接收的数据类型可分为C/A码、P码、L1载波相位、L2载波相位及它们的各种组合等多种技术类型的接收机，按编码信息又可分为有码接收机和无码接收机。它们结构基本一致。通常各种接收机都包括以下功能模块：天线和前置滤波模块、射频前端模块、滤波网络、晶振及频率合成器模块、信号处理模块和应用处理模块。其中信号处理模块和应用处理模块为核心部分，需要进行大量的数据运算。
其中信号处理模块就是并行通道信号相关器。并行的每条信号通道都可以在同一时刻独立的跟踪一颗卫星，并通过伪码捕获与跟踪电路实现C/A或P码的获取，为计算伪距提供基础信息。并行信号通道输出的伪随机码信息和卫星导航电文进入应用处理模块后，再经分析计算就可得到接收机的三维或七维的定位信息。一般来说实现数字信号计算的方法有以下几种：
(1) 在通用的计算机(如PC机)上用软件(如Fortran, C语言)实现；
(2) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现；
(3) 用通用的单片机(如MCS-51,等)实现，这种方法可用于一些不太复杂的数字信号处理，如数字控制等；
(4) 用通用的可编程DSP芯片实现(与单片机相比，DSP芯片具有更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法)；
(5) 用专用的DSP芯片实现(在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高，用通用DSP芯片很难实现，例如专用于FFT、数字滤波、卷积、相关等算法的DSP芯片；这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无需进行编程)。
在上述几种方法中，第(1)种方法的缺点是速度较慢，一般可用于DSP算法的模拟；第(2)和第(5)种方法专用性强，应用受到很大的限制；另外，第(2)种方法也不便于系统的独立运行；第(3)种方法只适用于实现简单的DSP算法；只有第(4)种方法才使数字信号处理的应用打开了新的局面。
因为GPS系统采用码分多址(CDMA)通信体制，使用扩频通信技术。接收机要捕获、跟踪GPS卫星发射的扩频信号，需要接收机有良好的高动态性能，即接收机应具有较高的数字信号处理能力。而且，接收机要实时地根据导航电文求解定位结果，实时输出导航解。因此在GPS接收机小型化已成为一种潮流的今天，将通用可编程的DSP芯片应用到GPS接收机的设计中已经成为一种最方便、效益最高的选择。
可编程DSP芯片在GPS接收机中承担的工作是对并行通道信号相关器进行实时控制以及对通过信号通道的信号进行实时解算，并根据不同的应用给出不同的应用解。下面我们以TI公司的TMS320C54x系列可编程DSP芯片为例，分析DSP芯片对上述功能的实现。
TMS320C54x是TI公司为实现低功耗、高速实时信号处理而专门设计的16位定点数字信号处理器，采用改进的哈佛结构，具有高度的操作灵活性和运行速度，适应于实时嵌入式应用的需要，其功能与特点正好符合便携式GPS接收机的设计需要。TMS320C54x的基本结构包括：中央处理器CPU、内部总线控制、特殊功能寄存器、数据存储器RAM、程序存储器ROM、I/O接口扩展功能、串行接口、主机通信接口HPI、定时器、中断系统等10个组成部分。TMS320C54x的结构是以8组16位总线为核心，形成了支持高速指令执行的硬件基础。8组总线分为1组程序总线、3组数据总线和4组地址总线。流水线操作是指各条指令以机器周期为单位，相差一个周期而连续并行（时间重叠）工作的情况。其原理是：将指令分为成多个子操作，每个子操作由不同的操作阶段完成。因此在同一个机器周期内，多条不同的指令将处于不同的操作阶段；这样，每经一个机器周期，都可以完成一条新指令，从而提高了指令的执行效率。
为了满足数据处理的不同需要，TMS320C5402芯片还提供了必要的片内功能模块，这些片内功能模块包括：通用I/O引脚、计数定时器、时钟发生器、主机接口HPI、串行通信接口、软件可编程等待状态发生器、可编成分区转换逻辑等，从而为我们进行软硬件的设计提供了很多方便。下面我们就一种具体的设计方案进行讨论。在该设计方案中我们选用GP1020数字相关器为信号通道。
3、应用系统设计
3.1硬件设计
在本设计方案中TMS320C5402芯片将与GP1020信号相关器，以及片外存储器组成基带处理器。片外存储器由1兆位的FLASH存储器和64K的SRAM构成，其中FLASH存储器我们选择有16条地址总线和3条控制总线的AT29LV1024。SRAM我们选择ICSI64LV16，这是一种高速数据存储器，其容量为64K×16，分别有16位地址线和数据线，控制线为片选
，其电源电压为3.3V，与TMS320C5402芯片外设电压相同。GP1020是一个6通道的CMOS数字相关器，可以与GP1010 L1通道下变频器或其他集成电路组合，用来截获和跟踪GPS C/A码。每片GP1020有6条通道，其中的每一条通道都包括：独立的数字下变频到基带处理的电路、相关器和累加转存寄存器。在本设计方案中用两片GP1020并行连接组成12通道的并行相关信号通道。
在本设计方案中，信号通道的C/A码捕获与跟踪过程是在DSP芯片的控制下进行的。GP1020的时基发生器每505us产生一次中断信号，请求TMS320C5402芯片读取CMOS数字相关器中的正交和同相相关积分值，TMS320C5402芯片再根据这些值控制相关器完成信号的捕获与跟踪。有效的中断信号为一高电平，这一高电平一直保持到外部微处理器读取保存相关值的寄存器为止。具体的硬件设计可参见图1。
图1 硬件原理简图
3.2软件设计
TMS320C5402芯片上运行的软件应实现以下功能：GPS信号处理、GPS硬件控制、GPS导航电文提取、导航定位求解。这样的设计思路给软件设计提出了较高的要求.根据TMS320C54x芯片的基本功能，我们将软件系统分成以下几个任务。
① 读取积分-清除器的相关器输出值，控制相关器硬件。积分-清除器的输出间隔为伪码周期(C/A码为1ms)，任务周期通常设定为此周期1Ms。
② 更新卫星跟踪环路，分析GPS导航数据，监控环路锁定状态，以20ms (GPS数据位长度)为周期。
③ 收集GPS原始观测量，预报伪距，更新位置与速度估计，控制卫星跟踪策略，其周期大于20ms，小于或等于导航输出时间间隔，取决于接收机信号处理模块的工作速度，尤其是软件实现的码、载波跟踪环路算法效率。
④ 收集卫星轨道参数，计算卫星伪距，求解卫星伪距方程，更新位置、速度解，根据卫星播发的星历和历书，预测卫星在空中的当前位置，确定选择卫星策略。对于高动态GPS接收机要求数据观测时间短，数据更新速率高，一般设为0.1s。
图2为软件系统的工作流程图。考虑到现有的硬件资源，在软件的编写过程中我们将使用可以在Windows操作系统下运行的CCS集成开发环境。CCS是TI公司推出的用于DSP芯片的集成开发环境，它采用Windows风格界面，集编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试等功能于一体，用于DSP芯片的开发与设计非常方便。这种开发环境支持用C/C++和汇编语言编写的程序。但在GPS接收机这样运算量较大且实时性强的环境中，使用汇编语言比较合适。这样可以省掉用C编译器和C/C++源程序的编译过程，使占用的硬件资源减少。
在经过编译和链接生成可以在TMS320C5402芯片上运行的COFF格式的目标代码后，我们可以用调试工具对其进行调试，并用Hex代码转换工具，将COFF格式的目标代码转换成EPROM编程器可以接受的代码，烧到EPROM中。
4、结束语
本文分析了在便携式GPS定位接收机的设计中使用可编成DSP芯片的有利方面，并通过一个具体的12通道C/A码定位接收机的设计实例，分析了可编程DSP的具体应用方式。从总体上说将可编程的通用DSP芯片应用于强调数字信息处理的实时性的场合是当前的一种潮流。这种芯片据有接口灵活、编程方便、稳定性好、运算精度高等优点，同时也更加适用于大规模集成。本文中提及的设计实例只是一个关于应用处理模块的理论设计方案，对于在GPS接收机中同样重要的射频前端模块的设计并未提及。可编程DSP芯片的应用对目前流行的GPS接收机小型化是一个非常有力的技术支持，其在相关领域中的应用前景也是非常广阔的。提出本设计方案的主要目的是说明可编程DSP芯片的应用方式，为同类设计开发工作提供有益的参考。
本文作者创新点：并行信号通道是GPS接收机中的核心部分，其中进行的伪码捕获与跟踪过程需要在微处理器的控制下进行，导航电文也需要由微处理器从数字信号通道输出的数据中解算出来，本文中采用TMS320C5402可编程DSP芯片来充当微处理器，充分发挥了通用DSP芯片软件设计灵活计算速度快的优势，从而提高了GPS接收机的整体性能。本文中的TMS320C5402为单点处理器只适合应用于静态定位的场合，在动态场合应考虑使用浮点处理器。
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