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。
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。
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。
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