GPS同步算法的ASIP实现

【摘要】： 信号同步算法集中了GPS软件接收机的主要运算量,其完成的主要功能是接收GPS中频输入信号,从中解扩解调出GPS卫星的导航电文用于后续的定位解算。同步算法主要包括捕获和跟踪二个阶段,捕获阶段通过三维搜索得到可见卫星号及其粗略的C/A码码偏和载波多普勒频偏;跟踪阶段通过修正频偏和码偏产生与接收信号同步的本地信号,从而将载波和C/A码从输入信号中剥离,得到最终的导航电文。二个阶段中的相关器是实现实时软件接收机的瓶颈。 作为ASIC和通用处理器之间的折中,专用指令集处理器(Application Specific Instruction Set Processor,ASIP)兼具了专用性和灵活性。本文研究了GPS信号同步算法,并根据其运算特性,基于Nios II嵌入式处理器实现了面向GPS同步算法的ASIP,同时把显式通信指令集结构的TRIPS作为另一ASIP的备选方案,基于其指令集对部分同步算法做了汇编优化。最后对二种方案的ASIP性能进行了分析和比较,探索了基于ASIP的GPS信号同步算法的嵌入式实时解决方案。 本文通过对捕获和跟踪算法的分析,确定了核心运算单元FFT/IFFT和Bit-Wise相关器为主要待优化单元,继而从二个单元中提取出了一组专用指令,进行了基于Nios II的指令扩展,从而完成了ASIP的Nios II实现,并对其做了板级验证。同时,为了在TRIPS上获得更好的性能,对FFT/IFFT和Bit-Wise相关器二个核心运算单元做了TRIPS汇编优化。最后提取二种ASIP的性能参数分别进行了分析,并使用归一化的频率对二者进行了比较。通过分析二种方案的ASIP性能参数,发现虽然基于Nios II的ASIP已经获得了相对较优的性能,但使用显式通信指令集的体系结构(TRIPS)在处理GPS信号同步算法时的优势更加明显。