基于Cortex-M3的北斗二代基带芯片设计

据，必须获取到卫星信号的多普勒频移的数值。这个过程叫频率捕获。所以，北斗信号的捕获是一个伪码和频率的二维捕获过程，捕获的目的就是使本地载波和接收到的信号载波频率基本一致，并且使本地复现伪码和接收到的卫星信号的码速率基本一致，码相位差小于一个码片宽度，从而实现本地信号与中频输入信号的粗同步。

本设计采用的是短时匹配滤波器组结合FFT的捕获结构，短时匹配滤波器将总的相干积分时间Tcoh分成等间隔的M段，每段积分时间为Tcoh/M。短时相关结合FFT的捕获过程为：降采样至4MHz的数字中频信号进入匹配滤波器组，与本地生成的相同采样率的伪码做相关，得到M个短时相关值;同时，对输入信号进行半码片平移，然后继续相关，直到1ms后得到Mx2046个短时相关值，完成码域的全并行搜索。然后对每个码相位上的M个短时相关值做FFT运算，得到其中的频域信息，实现频域的并行搜索。

整个捕获功能模块如图4所示，主要包括数字下变频、载波发生器、去载波电路、降采样电路、码发生器、匹配滤波器阵列、相干/非相干累加模块和捕获引擎控制等模块。

跟踪模块的结构与捕获模块类似，只是基于捕获模块的粗同步信息，跟踪模块可以对卫星信号进行更精细的C/A码和频率跟踪。

3 基带芯片软件设计

Cortex-M3 CPU作为基带芯片的主设备模块，首先完成芯片的启动和初始化，后续执行的软件按照功能主要分为两部分，一是对捕获跟踪模块的控制调度，具体工作流程如图5所示。先根据需要捕获的星号对捕获模块进行相关参数的配置，启动捕获过程;接收到捕获完成中断后，根据捕获结果，判决是否成功捕获，并继续配置捕获下一颗卫星或者更换配置参数重新捕获本颗卫星;根据捕获成功得到的码相位和多普勒频偏值，配置相应卫星的跟踪通道，启动卫星的信号跟踪。

当跟踪通道成功跟踪4颗以上卫星后，可以对相应卫星的导航电文进行解调，然后根据获得的导航电文进行定位解算。

4 总结

本文设计的北斗基带处理芯片，内嵌ARM Cortex-M3 CPU，集成了北斗的捕获模块和16路北斗跟踪模块。通过ARM CPU的软件调度，本设计完成导航信号的捕获和跟踪，并由M3完成报文的解调和定位解算，最后通过串口输出定位信息。该设计最后在Xilinx FPGA Kintex-7系列xc7k325t上实现原型测试，对北斗B1信号实现了成功捕获和跟踪，定位精度也能符合应用需求。

参考文献：

[1]邢增强,李金海,梁华庆,等.基于ARM+FPGA的GPS接收机设计[J].传感器与微系统，2011.

[2]刘竞超,邓中亮.基于ARM+FPGA北斗接收机设计[J].软件，2012.

[3]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件

[4]李金海.高动态GPS接收机基带算法研究与设计[D].北京:中国科学院研究生院,2007.

[5]廉保旺,刘慧红,毛得明.基于匹配滤波器和FFT的伪码快速捕获方法及性能分析[J].测控技术,2009.

[6]ARMv7-M Architecture Reference Manual ARM Limited.

[7]ARMv7-M Cortex-M3 User Guide Reference Material ARM Limited.

[8]Cortex-M3 Technical Reference Manual ARM Limited.

[9]Cortex-M3 Integration and Implementation Manual ARM Limited.

本文来源于中国科技核心期刊《电子产品世界》2016年第10期第59页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。