[发明专利]一种卫星导航基带信号跟踪算法的硬件加速装置和方法

说明书

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。

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