软件接收机的GPS信号实时采集方案设计

摘要：针对软件GPS接收机的实时数据采集需求，提出一种基于TMS320C6416 McBSP、EDMA、中断和外部扩展SDRAM的GPS实时数据采集方案；重点阐述射频前端NJl006AK、TMS320C6416构成的硬件接收电路，以及McBSP、SDRAM、EDMA乒乓缓存的采集配置过程。该方案不仅满足了GPS软件接收机信号采集严苛的实时性要求，而且增强了处理器实时处理能力。
关键词：GPS；实时数据采集；多通道缓冲串口；EDMA；TMS320C6416；NJ1006AK

引言
    软件GPS接收机具有较高灵活性和可扩展性，是快速实现算法验证、研制原型接收机的重要手段。GPS信号的实时采集是软件GPS接收机各种功能实现的前提。本文设计了一种软件GPS接收机实时信号采集方案。该方案以McBSP接收射频前端NJl006AK数字化输出，通过McBSP事件驱动EDMA在外部扩展sDRAM中进行乒乓缓存，并通过ms中断(即1 ms中断1次)与基带算法同步数据，很好地满足了软件GPS接收机信号采集的需要。

1 基于DSP的实时采集方案
    软件GPS接收机作为软件无线电的典型应用，其本身具有很高的数据采样率和基带算法带来的巨大运算量，跟踪环节还要求提供实时连续采样的GPS信号。这就要求处理器在实时运算的同时，对GPS信号进行高速、连续、实时的采集。软件GPS接收机中的运算目前主要由DSP实现，本文采用TMS320C6416作为核心处理器，在为基带处理提供支持的同时，利用其McBSP、EMDA、EMIF片内外设，配合Nemerix公司的NJ10-06AK和相关接口电路完成对GPS信号实时、连续的采集，其结构如图1所示。

    来自天线的1 575．42 MHz GPS信号直接进入集成了LNA的射频接收前端NJl006AK，完成射频信号的滤波、放大、下变频，数字化输出2位并行数据，经并串转换电路后进入TMS320C6416。TMS320C6416通过McBSP和EDMA配合完成数据的搬移，通过EMIF接口扩展SDRAM完成数据的存储。McBSP接收串行数据为连续的32位字，并在每个32位字接收完成时，通过McBSP接收事件触发EDMA完成接收32位字到外部扩展SDRAM的搬移。为了保证实时数据的连续接收和同步，McBSP接收事件对应。EMDA通道分别在SDRAM内开辟2个1 ms数据空间缓冲区，并通过链接配置为乒乓缓存操作。当一个缓冲区搬移操作结束时，EDMA切换到另一个缓冲区并发出EDMA中断，通知CPU ms数据采集完毕，实现采集数据与基带处理同步。

2 系统硬件设计
2．1 射频接收电路
    NJl006AK是Nemerix公司推出的双超外差GPS射频前端接收芯片。它内部集成了LNA，具有可通过引脚设置的本振频率，同时可直接与有源或者无源天线对接。采用NJl006AK配合无源天线完成射频信号的接收、处理，其电路如图2所示。

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    无源天线通过L1、C1、C3、L5耦合GPS信号进入NJl006AK内部集成的LNA，进行低噪声放大；并由LNO引脚进入L2、L3、L4、C2、C4和SAW晶振TQS949-AA-7G构成的滤波电路，完成GPS L1带外信号的滤除。NJl006AK通过MODE引脚接地选择本地振荡频率为1 554．86 MHz，与由RFI引脚进入的滤波后的信号混频，完成下变频得到20．55 MHz中频信号。该中频信号由NJl006AK通过内部AGC放大后经2位ADC欠采样完成二次下变频，输出SGN、MAG数字信号。ADC参考时钟通过XEN引脚接地选择由CP引脚输入基带接口提供的16．129 MHz采样时钟。此外，L6、L7、C6、C9构成中心在25．55 MHz、带宽3．5 MHz的滤波电路，以滤除A／D转换过程中引入的镜像频率；R1、C7、C10构成NJl006AK内部PLL的外部滤波电路；AVDD、TVDD为NJl006AK提供3．3 V工作电压；C5、C8完成NJl006AK片上输出电压的滤波，防止芯片内部参考偏移。
2．2并串转换及存储接口电路
    并串转换和外部SDRAM存储接口电路如图3所示。

    50 MHz温补晶振通过CLKIN为TMS320C6416提供时钟输入，CLKMODE0、CLKMODEl上拉配置内部PLL为20倍频，使处理器工作在1GHz。McBSP0在向射频前端提供采样时钟CLKF的同时，通过与SN54LV166A接口完成并串转换。EMIFA以32位形式与Microm公司64．Mb 32位SDRAMMT48LC2M-3282-6对接，实现外部存储的扩展。
    并串转换接口中，SN54LVl66A的CLR引脚接3．3 V禁止异步清零；S／L引脚接地选择并行输入方式，接收A到H并行输入；INH引脚接地使能McBSP0的CLKR提供的移位时钟；来自射频前端的数字信号SGN、MAG在CLKR上升沿，依次通过QH输出到McBSP0完成接收。
    外部扩展SDRAM配置在EMIFA CE0空间，BEAl6下拉，BEAl7上拉设置CPU内部6分频，AECLKOUTl输出166 MHz与MT48LC2M3282-6的CLK对接，其他控制信号ASDCKE、ACE0、AS-DRAS、ASDCAS、ASDWE、AEA[13：3]、ABE E3：O]、AEDE31：O]直接与MT48LC2M3282-6对应的信号连接。由于SDRAM复用地址线，MT48LC2M3282-6的A11～A18与A0～A7复用，BA0、BAl作为A19、A20提供组选择信号，所以TMS320C6416的AEA3～AEAl3对接MT48LC2M3282-6的A0～A10完成A0～A18的传送，AEAl4、AEAl5接BAl、BA0提供组选择信号。

3 采集参数配置
3．1 McBSP接收配置
    McBSP负责射频前端采样信号的接收，接收配置分为时钟生成设置和接收参数设置。其控制参数主要分布在接口控制寄存器、接收控制寄存器、引脚控制寄存器和采样率寄存器。引脚控制寄存器和采样率寄存器为McB-SP提供灵活的帧信号和时钟生成，既可以由外部引脚输入也可由内部时钟分频得到，同时提供输出到外部引脚的极性反转控制。本方案中，设置采样率寄存器中CLKSM=1，CLKGDV=30，FPER=1，FWID=0，使McBSP0的内部1 GHz时钟通过CLKGDV分频得到内部接收需要的32．258 MHz接收时钟，进而通过帧信号周期FPER、帧脉宽FWID分频产生16．129 MHz占空比为50％的帧信号。同时，设置引脚控制寄存器中CLKRM=1，CLKRP=0，FSRM=1，FSRP=1，使得极性反转后的帧信号输出到FSR引脚(其下降沿用于射频前端完成GPS信号采样和接收帧同步)，接收时钟直接输出到CLKR引脚(其上升沿用于串并转换电路完成数据移位输出，下降沿用于McBSP采样外部数据)。
    接收控制寄存器和接口控制寄存器主要提供接收帧长、字长、帧忽略，接收延时、时钟、帧发生、接收开始等控制功能。为了尽可能提升McBSP0和EDMA效率，设置接收控制寄存器中RPHASE=0，RFRLENl=1，RWDLENl=5，RDATDLY=0，RFIG=1。选择每帧包含一个相位，每个相位包含一个字，每字32位，与帧信号同步无延迟采样接收，且忽略不恰当帧同步。设置完上述寄存器后，就可通过依次设置接口控制寄存器内GRST、FRST、RRST为1，顺次完成采样率发生器复位，帧信号发生器复位和接收使能开始接收。
3．2 EMIF SDRAM接口配置
    EMIFA CE0空间扩展的64 Mb SDRAM位于CPU地址空间0x8000 0000～0x807F FFFF，为信号采集过程提供了高速缓存。其配置信息分布在EMIFA全局控制寄存器、CE控制寄存器0、SDRAM控制寄存器、SDRAM时间参数控制寄存器和SDRAM扩展寄存器。复位完成后，CPU需要按照EMIFA寄存器配置必要参数，然后启动SDRAM初始化过程，使SDRAM进入正常读写状态。
    SDRAM工作需要的166 MHz同步时钟，通过设置EMIFA全局控制寄存器EKlEN=1使能AECLKOUTl输出；同时，设置CE控制寄存器0中MTYP=0x03，选择CE0为32位SDRAM模式。EMIFA中SDRAM工作刷新周期通过166 MHz同步时钟计数实现，在SDRAM时间参数控制寄存器中由PERIOD设定为2 500，即2 500×(1／166 MHz)≈1．51μS进行刷新操作，具体刷新次数由XRFR=0设定为每1．51μs 1次。SDRAM扩展寄存器提供了SDRAM操作需要的时间参数设置。具体设置为：TCL=1，TRAS=5，TRRD=0，TWR=1，THZP=2，RD2RD=0，RD2DEAC=2，RD2WR=0，R2WDQM=2，WR2WR=0，wR2DEAC=4，WR2RD=0。SDRAM控制寄存器根据器件参数设定SDBSZ=1，SDRSZ=0，SDCSZ=1，依次表示寻址bank数为4，行地址为11位，列地址为8位。同时，设定3个关键时间参数Trcd=2，Trp=2，Trc=8。CPU在复位完成设置完上述参数后，就可通过向SDRAM控制寄存器INT位写1，开始初始化外部SDRAM。
3．3 EDMA乒乓缓存与中断配置
    EDMA采用事件驱动机制工作，每个McBSP接收完成事件REVT驱动EDMA，完成一次McBSP DRR寄存器接收数据到外部扩展SDRAM的搬移。在
TMS320C6416中，McBSP0接收完成事件REVT对应EDMA通道13，需要先设置乒乓缓存模式的RAM参数，然后使能中断和对应通道，才能进入乒乓工作状态等待触发事件，并通过中断与处理器同步数据。
    EDMA通道的RAM参数包括：通道参数OPT、源地址SRC、帧计数CNT、目标地址DST、目标地址索引IDX，以及链接加载RLD的5个连续32位控制字。其中，OPT设定传输方式，SRC设定数据传输的源地址，CNT设定帧数和帧内传输单元数，DST设定传输的目的起始地址，IDX设定目的地址修正参数，RLD设定链接RAM参数相对0x01A0 000的起始地址偏移。[!--empirenews.page--]
    要在通道13上实现乒乓缓存，需要使用位于0x01A00600和OxOlA0 0618的2个可重新加载RAM参数块A、B，以及位于外部SDRAM Ox8000 0000～0x8000 0FBF和0x8000 1000～0x8000 1FBF的2个缓冲区BUFl和BUF2。设定A DST=0x8000 0000指向BUFl，RLD=0x0000 0618指向RAM参数块B，B DST=0x8000 1000指向BUF2，RLD=0x0000 0600指向RAM参数块B，同时置位每个RAM块中OPT中的LINK控制位。这样，当A RAM块最后一个单元传输结束时，会自动加载RLD指向的B RAM块参数。当下次触发事件到来时，EDMA就将数据搬移到Ox8000 1000指向的BUF2；相反B RAM块最后一个单元传输结束时，会自动加载RLD指向的ARAM块参数将后续数据搬移到BUFl，实现乒乓缓存。此外，RAM参数块A和B的OPT设置为Ox0002 0002，使通道13工作在最高优先级的固定地址到递增地址的32位一维元素同步链接模式。SRC设置为McBSP0 DRR地址0x018C 0000，CNT设置为Ox0000 03FO进行1008个字的单帧传输，IDX不影响一维元素的同步传输，设置为Ox0000 0000。
    为了保持McBSP和EDMA操作的同步性，所有ED-MA通道共享的EDMA-INT在使能通道13前，通过MXL[25：21]映射到可屏蔽中断INT_8，并置位ICR Bit8清除所有挂起中断，置位IER Bitl、Bit8使能NMI和INT_8，最后置位全局中断使能GIE。使能通道13时，需先置位EDMA事件清除寄存器ECRL和中断挂起寄存器CIPRL Bitl3，以清除先前发生的McBSP0 REVT事件和挂起的中断信号；然后依次置位EDMA中断使能寄存器CIERL和通道使能寄存器EERL bitl3，使能通道13和相应的中断。

4 采集过程分析
    采用基于McBSP、EDMA、SDRAM构成的GPS信号采集方案，主要分为接口配置和信号采集两个阶段。接口配置阶段依次完成EMIFA、EMDA、中断和McBSP0配置，使其工作在一定工作模式下，最后通过置位McBSP接口控制寄存器中的RRST启动采集过程。信号采集过程基于硬件实现，完全与CPU并发，在ms数据接收完成后与CPU通过中断INT_8同步数据。具体采集过程如图4所示。

    McBSP32．258 MHz接收时钟连续32个下降沿接收一个32位字，产生一个REVT事件，对应16．129 MHz射频采样时钟16次下降沿采样。REVT事件驱动EDMA完成一次DRR 32位接收数据到SDRAM缓冲区搬移，并将CNT减1，缓冲区地址加4指向下一个缓冲单元。假设EDMA当前执行RAM参数A传输，那么32．258 MHz接收时钟1 ms内共32 258个下降沿，可接收1008个32位接收数据，产生1008次REV事件；对应16．129 MHz采样时钟16 128次下降沿采样，共驱动EDMA 1008次32位搬移，占用BUFl Ox8000 0000～0x8000 0FBF 4 032字节空间，CNT减少到O。一旦CNT减小为O，EDMA就触发INT_8，通知CPU ms数据采集完毕；同时，根据RLD的设定，加载位于0x01A0 0618的参数RAM B到通道13的自身参数RAM。当下次REVT事件到来时，EDMA就执行RAM参数B传输，在Ox8000 1000～Ox8000 1FBFBUF2缓冲，此时CPU可处理BUFl中的采集数据。当CNT再次减小到0时，EDMA再次触发INT_8，通知CPU ms数据采集完毕；同时，根据RLD的设定加载位于0x01A0 0600的参数RAM A到通道13，实现乒乓缓冲。需要注意的是，McBSP RFIG=1工作在帧忽略模式，在第一个CLKF下降沿完成同步后一直忽略后续同步信号，直到32位帧结束才能实现下一帧同步。

结语
    本文提出的基于NJl006AK和TSM320C6416的GPS实时信号采集方案，充分利用了DSP内部外设，具有电路简单可靠、配置方法灵活和CPU同步并发的特点。该方案很好地解决了软件GPS接收机中数据采集实时性和基带处理实时性冲突的问题，实现了GPS信号的实时、连续采集，对提升软件GPS接收机实时性能具有重要意义。