CN106932794B - 一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速装置和方法，包括数据传输模块、数据缓存模块、访问控制模块、运算累加模块和统计模块，运算累加模块包括多个运算累加单元。硬件加速方法的步骤如下：硬件加速装置在运算前写入DFT数据和上次运算的NCS数据；数据写入完成后开始DFT运算；硬件加速装置产生旋转因子，并行进行DFT运算，再通过对DFT运算结果的累加得到更新后的NCS数据；根据DFT运算结果和更新后的NCS数据得到统计结果，并将更新后的NCS数据传输到基带SoC系统中；硬件加速装置停止运算和统计并产生硬件中断，基带SoC系统响应硬件中断后进行后续算法处理。本方案能够提高GNSS信号载波跟踪频域鉴频计算速度，从而提高系统处理能力。

Description

一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速装置和方法

技术领域

本发明涉及卫星导航接收机数字信号处理芯片技术领域，尤其涉及应用于卫星导航接收机频域载波进行频域鉴频的硬件加速装置和方法。

背景技术

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收机的主要任务是捕获和跟踪卫星信号，信号从射频信号变换到基带信号后，经过基带信号处理完成导航定位解算。

GNSS信号的捕获从接收信号中搜索、捕获各颗可见的GPS卫星信号，并从中获得卫星信号的载波频率和C/A码相位粗略估计值。在GNSS信号的跟踪阶段，从捕获阶段获得的卫星信号载波频率和码相位粗略估计值出发，以初始估计的码相位为中心设置多个相关器，并将载波频率设置为初始估计的载波频率，通过跟踪环路逐步精细对两个信号参量的估计，同时输出对信号各种测量值，再顺便解调出信号中的导航电文比特。跟踪环路一般由相关器、鉴别器、环路滤波器组成。其中相关器往往通过硬件实现，将整数毫秒的积分累加值输出给环路鉴别器，而环路鉴别器与环路滤波器往往由软件实现。跟踪环路从功能上分为码跟踪与载波跟踪，分别完成测距码相位及载波频率的精确锁定。

进行载波跟踪需利用频率鉴别器对频偏进行估计，一般有两种方法：利用反正切函数求相邻时间的相关器输出积分值的相位差除以时间间隔得到频率，另一种方法是利用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)或离散傅里叶变换(Discrete FourierTransform，DFT)对相关器连续时间点输出的积分值进行频域转换得到频谱然后鉴频，后一种方法因更大的频率鉴别范围获得了广泛的应用。

进行频域鉴别时需要在规定的频率及相关器范围内找到频谱最大值，然后在最大值附近鉴频得到频偏估计的精细值；另外对环路状态进行监控也需要在某个事先确定的频率及相关器范围对频谱的最大值分布进行统计，即需要对多个不同频率及相关器范围进行最大值统计。由于GNSS信号上调制有导航电文，其相干积分时间往往有限，为提高信噪比，往往会进行非相干累加；此外，对环路的监控还需要计算频谱的均值。由于在DFT计算时会对频谱进行遍历，可以方便求取最大值和均值、计算非相干累加值。

采用FFT相对于DFT可以节省计算量，节省的计算量随频点数增加而增加，但频点数不能随意选择，频率间隔由频点数决定，且为增加频域分辨率，FFT算法要求对输入时域数据补零，这又会增加计算量，当频点数较少时，计算量节省的优势不明显。采用DFT时，可以灵活选择频率间隔和频点数。考虑到GNSS信号跟踪典型场景，所需频点数并不大，此时采用DFT方案，可以避免了补零，实际应用时的计算量与FFT方案相当，且能灵活配置频率间隔和频点数。本发明即利用DFT对相关器输出的积分值进行频域分解。

当前利用DFT进行频域鉴频及鉴频时，统计及搜索频谱最大值均由接收机软件或固件实现，DFT运算可采用软件计算或利用DSP器件实现。软件计算实现DFT运算存在速度低的缺陷；DSP器件实现DFT运算可以提高运算速度，但无法在大规模集成电路实现，不够灵活。业界亟需提高一种方案，以提高GNSS信号载波跟踪计算速度，从而提高系统处理能力。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速装置和方法，能够提高GNSS信号载波跟踪计算速度，从而提高系统处理能力，本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速装置，包括数据传输模块、数据缓存模块、访问控制模块、运算累加模块和统计模块，所述运算累加模块包括多个运算累加单元，所述数据缓存模块通过数据传输模块与基带SoC系统相连，所述运算累加模块与数据缓存模块相连，所述访问控制模块分别与基带SoC系统、数据传输模块、数据缓存模块、运算累加模块和统计模块相连，通过所述数据传输模块将DFT数据和上次运算的NCS数据写入数据缓存模块中，数据写入完成后访问控制模块产生启动DFT运算指示信号，运算累加模块产生旋转因子并通过多个运算累加单元对DFT数据并行进行DFT运算，再通过对DFT运算结果的累加得到新的NCS数据并对上次运算的NCS数据进行更新，统计模块根据DFT运算结果和更新后的NCS数据得到统计结果，数据传输模块再将更新后的NCS数据传输回基带SoC系统。

进一步地，还包括数据仲裁模块，所述数据缓存模块通过数据仲裁模块与数据传输模块、访问控制模块、运算累加模块和统计模块相连，数据仲裁模块用于对运算和统计前后数据传输模块和数据缓存模块的接口进行仲裁选择。

进一步地，还包括接口配置模块，所述访问控制模块通过接口配置模块与基带SoC系统相连。

进一步地，所述数据传输模块通过AHB主设备接口与基带SoC系统相连。

进一步地，所述数据缓存模块包括DFT数据单元和NCS数据单元，DFT数据单元用于寄存所述DFT运算结果，NCS数据单元用于寄存所述NCS数据。

一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速方法，包括以下步骤：

1)DFT数据和上次运算的NCS数据预先存放在基带SoC系统中，硬件加速装置在运算前执行DFT数据和上次运算的NCS数据的写入；

2)DFT数据和上次运算的NCS数据写入完成后，硬件加速装置根据启动DFT运算指示信号开始DFT运算；

3)硬件加速装置读取DFT数据，并按软件配置的参数产生旋转因子，通过多个运算累加单元并行进行DFT运算，再通过对DFT运算结果的累加得到更新后的NCS数据；

4)硬件加速装置统计DFT运算结果和更新后的NCS数据，根据DFT运算结果和更新后的NCS数据得到统计结果，并将更新后的NCS数据传输到基带SoC系统中；

5)完成运算结果统计和NCS数据传输后，硬件加速装置停止运算和统计并产生硬件中断，基带SoC系统响应硬件中断后读取更新后的NCS数据并进行后续算法处理。

进一步地，所述步骤1)中，硬件加速装置通过AHB主设备接口以DMA方式写入DFT数据和上次运算的NCS数据。

进一步地，所述步骤3)中，软件配置的参数具体包括相关器个数、DFT运算频点数、DFT运算采样点数和是否累加。

进一步地，所述步骤4)中，统计结果具体包括能量峰值、能量峰值位置和能量均值。

进一步地，所述步骤4)中，得到统计结果后把统计结果存在硬件加速装置内。

采用上述进一步方案的有益效果是：本发明提出一种在片上系统芯片实现的频域载波跟踪算法的硬件加速装置和方法，专门对GNSS信号进行频域内跟踪算法时频域鉴频的DFT运算，同时对DFT运算结果进行统计，如对指定的频率及相关器范围内搜索频谱最大值，并针对该硬件加速装置的电路及性能进行高度优化，提高GNSS信号载波跟踪计算速度，从而提高系统处理能力。

附图说明

图1为本发明硬件加速装置的示意图；

图2为本发明硬件加速方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速装置和方法，应用于基带SoC系统，即基带信号片上系统芯片System on Chip。基带SoC系统主要包括微控制器、基带处理模块以及系统RAM模块，集成了本硬件加速装置的基带SoC系统专门处理GNSS中频信号，硬件加速装置以AMBA AHB接口集成在基带SoC系统中。本硬件加速装置对外接口使用AMBA AHB接口及硬件中断指示信号，即Advanced Microprocessor Bus Architecture高级微控制器总线结构和Advanced High-performance Bus高级高性能总线，接口简单，可以IP模块的形式直接集成在基带SoC系统中。AMBA AHB接口包括AHB主设备接口和AHB从设备接口，在本硬件加速装置中，数据传输模块1通过AHB主设备接口与基带SoC系统相连，接口配置模块7通过AHB从设备接口与基带SoC系统相连。数据传输通过AHB主设备接口进行，硬件加速装置的软件配置通过AHB从设备接口进行。硬件加速方法的工作过程及原理如下：

输入的GNSS中频信号经信号预处理后，分别被基带SoC系统的捕获模块和跟踪模块处理，运行于微控制器的固件程序会将跟踪模块输出的各相关器相干积分结果写系统RAM模块中；

固件程序将需要进行DFT运算的源数据在系统RAM模块的起始地址通过AHB从设备接口配置硬件加速装置内部相关寄存器，并且配置其它参数如相关器个数、DFT运算频点数、DFT运算采样点数等，最后配置寄存器启动DFT运算；

硬件加速装置通过AHB主设备接口以DMA方式从系统RAM模块拷贝DFT运算源数据及DFT运算累加数据，启动DFT运算及累加后，自动统计计算结果，把统计结果保存在数据缓存模块2中，并将累加所得的NCS数据通过AHB主设备接口以DMA方式拷贝回系统RAM模块，最后产生中断；

固件程序收到中断后，直接从系统RAM模块读取累加所得的NCS数据，并从数据缓存模块2读出统计结果，再进行频域跟踪载波环算法，实现稳定快速跟踪。

如图1所示，一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速装置，包括数据传输模块1、数据缓存模块2、访问控制模块3、运算累加模块4、统计模块5、数据仲裁模块6和接口配置模块7。

数据传输模块1实现本硬件加速装置与基带SoC系统间的猝发式数据传输，减少数据搬移时间，并实现DMA方式传输数据，即Direct Memory Access的方式直接访问基带SoC系统的系统RAM模块，无需微控制器干预，提高性能。具体地，实现从基带SoC系统搬运DFT运算数据和NCS数据到硬件加速装置内部的数据缓存模块2，以及从硬件加速装置内部的数据缓存模块2读出更新后的NCS数据写入系统RAM模块的操作。其中，NCS数据为DFT运算后的能量值累加结果，即非相干积分值。

数据缓存模块2包括DFT数据单元和NCS数据单元，分别用于寄存DFT运算源数据和NCS数据。

访问控制模块3实现本硬件加速装置的时序控制以及启动控制，包括单次DFT运算或DFT运算后的能量值累加时对数据缓存模块2的访问控制。

运算累加模块4包括多个运算累加单元；具体地，运算累加模块4包括四个运算累加单元，实现四次DFT并行运算，并将运算结果串行输出，转换为能量值，实现DFT计算的能量值累加并将累加所得的NCS数据写入数据缓存模块2。

统计模块5实现对DFT运算结果和更新后的NCS数据的统计，如对指定的频率及相关器范围内搜索频谱最大值。

数据仲裁模块6实现对数据传输模块1和数据缓存模块2的接口进行仲裁选择。硬件加速装置需要写入DFT数据和上次运算的NCS数据时，数据仲裁模块6通过数据传输模块1把DFT数据和上次运算的NCS数据从基带SoC系统写入数据缓存模块2；写入完成后，当硬件加速装置需要进行DFT运算时，数据仲裁模块6把DFT数据和上次运算的NCS数据从数据缓存模块2写入运算累加模块4，运算累加模块4运算得到DFT运算结果和更新后的NCS数据并把上述结果存到数据缓存模块2，数据仲裁模块6再把更新后的NCS数据通过数据传输模块1传回基带SoC系统。

接口配置模块7实现配置接口功能，实现软件对本硬件加速装置的寄存器配置及查询功能。

如图2所示，一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速方法，主要概括为以下步骤：

1.在硬件加速装置工作前，基带跟踪模块输出的各种码相位的相关器运算后的相干积分值作为DFT数据，以及上次DFT运算后的能量值累加结果即NCS数据均已存放在基带SoC系统，软件将DFT数据和NCS数据存放在基带SoC系统的起始地址，通过AHB从设备接口写入本硬件加速装置的接口配置模块7，再配置其它DFT运算参数如相关器个数、DFT运算频点数、DFT运算采样点数及是否累加等，最后配置启动DFT运算；

2.访问控制模块3解码配置寄存器，产生DFT运算时序指示信号，待启动DFT运算时，向数据传输模块1发出控制信号，数据传输模块1自动通过AHB主设备接口从基带SoC系统依次通过猝发传输模式以DMA方式拷贝DFT数据和NCS数据，并通过数据仲裁模块6写入硬件加速装置内部的数据缓存模块2。待数据拷贝完后，访问控制模块3向运算累加模块4发出启动DFT运算的指示信号；

3.运算累加模块4收到启动DFT运算指示信号后，从硬件加速装置内部的数据缓存模块2读出DFT数据，按软件配置的参数产生旋转因子，并进行DFT运算。为加速DFT运算，内部实现4频点并行DFT运算单元，可以同时进行最多4频点的DFT运算结果输出；运算累加模块4逐个相关器逐个频点完成DFT运算，以及通过对DFT运算结果的累加得到更新后的NCS数据；

4.当运算累加模块4完成所有相关器所有频点数据的DFT运算及NCS累加后，统计模块5即开始分别统计DFT运算结果和更新后的NCS数据，得到统计结果。统计结果包括能量峰值、能量峰值位置和能量均值，其中能量峰值为所有相关器所有频点能量值的最大值，能量峰值位置为相关器编号以及频点值，能量均值为所有相关器所有频点能量值的平均值。同时根据软件配置，数据传输模块1将更新后的NCS数据自动拷贝到基带SoC系统内；

5.当统计模块5完成运算结果统计而且NCS数据被拷贝到基带SoC系统后，即产生硬件中断，软件直接读取运算结果并进行后续算法处理。运算结果包括基带SoC系统内部的NCS数据以及本硬件加速装置内访问控制模块3保存的统计结果及峰值检测结果。

本硬件加速装置和方法通过硬件加速器形式实现信号跟踪算法的DFT运算，采用AMBA AHB接口，能以IP模块形式直接集成在基带SoC系统中，易移植复用，并适合大规模集成电路实现；AHB主设备接口以DMA方式自动从指定内存起始地址取出运算数据，并通过猝发式传输模式以DMA方式拷贝到数据缓存模块2，减少数据搬移时间及微处理器干预，提高性能；单次DFT运算时，每个相关器可并行进行N个频点数的DFT运算，大幅提高技术性能，同时兼顾性能与面积平衡，其中N为自然数且N大于2；对单次DFT运算后的能量值进行统计，统计结果包括能量峰值、能量峰值位置和能量均值；根据软件配置，可对DFT运算后的能量值进行累加和对DFT运算后的能量值累加结果进行统计，如统计累加的能量均值，找出3个矩形窗的累加能量值的Peak值位置；每次DFT运算以及NCS能量累加后，当计算出统计结果时，硬件逻辑发送中断，软件直接读取运算结果并进行后续算法处理。

总的来说，通过如下几个方面措施减少运算时间：

通过硬件加速器形式实现信号跟踪算法的DFT运算以及DFT运算后的能量值运算，同时自动实现DFT运算结果累加，并且将DFT运算结果以及DFT运算累加结果进行峰值检测和统计，使同样运算量计算时间约为软件计算时间的1/200，另外通过硬件实现DFT运算结果的统计及峰值检测更减少大量时间；

并行进行DFT运算，单次DFT运算可并行进行N个频点数的DFT运算，使DFT运算时间将为通常串行计算时间的1/N；

在将DFT数据从基带SoC系统拷贝到本硬件加速装置的数据缓存模块2，或者将存放在本硬件加速装置数据缓存模块2的DFT运算结果拷贝到基带SoC系统时，通过AHB主设备接口以DMA方式进行数据传输，数据拷贝平均时间将为缩至以I/O访问方式的1/5。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速装置，其特征在于：包括数据传输模块(1)、数据缓存模块(2)、访问控制模块(3)、运算累加模块(4)和统计模块(5)，所述运算累加模块(4)包括多个运算累加单元，所述数据缓存模块(2)通过数据传输模块(1)与基带SoC系统相连，所述运算累加模块(4)与数据缓存模块(2)相连，所述访问控制模块(3)分别与基带SoC系统、数据传输模块(1)、数据缓存模块(2)、运算累加模块(4)和统计模块(5)相连，通过所述数据传输模块(1)将DFT数据和上次运算的NCS数据写入数据缓存模块(2)中，数据写入完成后访问控制模块(3)产生启动DFT运算指示信号，运算累加模块(4)产生旋转因子并通过多个运算累加单元对DFT数据并行进行DFT运算，再通过对DFT运算结果的累加得到新的NCS数据并对上次运算的NCS数据进行更新，统计模块(5)根据DFT运算结果和更新后的NCS数据得到统计结果，数据传输模块(1)再将更新后的NCS数据传输回基带SoC系统；

还包括数据仲裁模块(6)，所述数据缓存模块(2)通过数据仲裁模块(6)与数据传输模块(1)、访问控制模块(3)、运算累加模块(4)和统计模块(5)相连，数据仲裁模块(6)用于对运算和统计前后数据传输模块(1)和数据缓存模块(2)的接口进行仲裁选择。

2.根据权利要求1所述的一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速装置，其特征在于：还包括接口配置模块(7)，所述访问控制模块(3)通过接口配置模块(7)与基带SoC系统相连。

3.根据权利要求1所述的一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速装置，其特征在于：所述数据传输模块(1)通过AHB主设备接口与基带SoC系统相连。

4.根据权利要求1所述的一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速装置，其特征在于：所述数据缓存模块(2)包括DFT数据单元和NCS数据单元，DFT数据单元用于寄存所述DFT运算结果，NCS数据单元用于寄存所述NCS数据。

5.一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)DFT数据和上次运算的NCS数据预先存放在基带SoC系统中，硬件加速装置在运算前执行DFT数据和上次运算的NCS数据的写入；

2)DFT数据和上次运算的NCS数据写入完成后，硬件加速装置根据启动DFT运算指示信号开始DFT运算；

3)硬件加速装置读取DFT数据，并按软件配置的参数产生旋转因子，通过多个运算累加单元并行进行DFT运算，再通过对DFT运算结果的累加得到更新后的NCS数据；

4)硬件加速装置统计DFT运算结果和更新后的NCS数据，根据DFT运算结果和更新后的NCS数据得到统计结果，并将更新后的NCS数据传输到基带SoC系统中；

5)完成运算结果统计和NCS数据传输后，硬件加速装置停止运算和统计并产生硬件中断，基带SoC系统响应硬件中断后读取更新后的NCS数据并进行后续算法处理。

6.根据权利要求5所述的一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速方法，其特征在于：所述步骤1)中，硬件加速装置通过AHB主设备接口以DMA方式写入DFT数据和上次运算的NCS数据。

7.根据权利要求5所述的一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速方法，其特征在于：所述步骤3)中，软件配置的参数具体包括相关器个数、DFT运算频点数、DFT运算采样点数和是否累加。

8.根据权利要求5所述的一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速方法，其特征在于：所述步骤4)中，统计结果具体包括能量峰值、能量峰值位置和能量均值。

9.根据权利要求5所述的一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速方法，其特征在于：所述步骤4)中，得到统计结果后把统计结果存在硬件加速装置内。