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面向GPS信号同步算法的ARCA3指令集扩展

作　者: 刘长松
导　师: 来逢昌
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: GPS软件接收机信号同步 ASIP 软硬件协同设计 ARCA3
分类号: TN967.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 16次
引　用: 1次
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内容摘要

信号同步单元是GPS接收机的主要运算单元,其完成的主要功能是对C/A码相位和多普勒频移进行精确估计以产生与接收信号同步的本地信号,从而将载波和C/A码从接收信号中剥离,提取出导航电文供后续单元进行定位解算。信号同步主要包括捕获和跟踪两个阶段,其核心运算单元相关器是GPS接收机的主要运算瓶颈,一直是困扰嵌入式实时软件接收机设计的关键难题。本设计对GPS信号同步的捕获和跟踪算法进行了研究优化,并以ARCA3嵌入式微处理器软核为基础,扩展了面向捕获和跟踪中相关运算的专用指令,探索了基于ASIP的GPS信号同步算法的嵌入式实时解决方案。基于软硬件协同设计方法,本ASIP设计分为系统级和RTL级两个设计阶段。在系统级设计阶段,为进行快速的指令集设计空间探索,本设计建立了一个包含指令集模拟器和汇编器等软件工具的系统级软硬件协同仿真平台。在RTL级设计阶段,通过修改ARCA3软核的流水线结构,加入相应的功能单元和控制逻辑对专用指令加以实现;为更准确地评估ASIP的性能,采用了一个周期精确的仿真平台对软硬件进行了协同仿真,并对ASIP的RTL级HDL代码进行了综合优化,根据得到的面积、时序、功耗等参数对系统进行了综合评估,最后在FPGA测试平台上对ASIP上的实际功能进行了验证。仿真结果表明,与ARCA3相比,ASIP在运行相关器时的效率获得了很大提升,有利于GPS信号同步算法和嵌入式GPS软件接收机的实时性实现。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-18
  1.1 课题背景  8-10
  1.2 GPS 接收机信号同步算法的数学原理  10-13
  1.3 ASIP 设计方法学简介  13-15
  1.4 GPS 软件接收机研究现状  15-17
  1.5 本文的研究内容与组织结构  17-18
第2章基于ARCA3 软核的ASIP 设计流程  18-26
  2.1 引言  18
  2.2 基准处理器ARCA3 简介  18-21
    2.2.1 ARCA3 通用寄存器  19-20
    2.2.2 IU 汇编指令集  20
    2.2.3 IU 流水结构  20-21
  2.3 ASIP 软硬件协同设计流程  21-25
    2.3.1 应用分析与软硬件划分  22-23
    2.3.2 系统级设计与软硬件协同仿真  23-25
    2.3.3 RTL 级设计与软硬件协同仿真  25
  2.4 本章小结  25-26
第3章面向GPS 信号同步算法的专用指令集扩展  26-37
  3.1 引言  26
  3.2 GPS 信号的捕获  26-30
    3.2.1 粗捕  27-28
    3.2.2 精捕  28-29
    3.2.3 运算量分析与指令提取  29-30
  3.3 GPS 信号的跟踪  30-36
    3.3.1 Bit-wise 相关器  30-32
    3.3.2 码跟踪环路  32-33
    3.3.3 载波跟踪环路  33-34
    3.3.4 运算量分析与指令提取  34-36
  3.4 本章小结  36-37
第4章专用指令的实现与软硬件协同仿真  37-47
  4.1 引言  37
  4.2 ASIP 的系统级设计  37-42
    4.2.1 M5 指令集模拟器简介  37-39
    4.2.2 基于M5 的SE 模式ASIP 指令集模拟器的实现  39-41
    4.2.3 基于M5 的系统级软硬件协同仿真  41-42
  4.3 ASIP 的RTL 级实现  42-45
    4.3.1 RTL 级ASIP 仿真平台简介  42-43
    4.3.2 专用指令的RTL 级实现  43-44
    4.3.3 基于Hunt 的RTL 级软硬件协同仿真  44-45
  4.4 FPGA 测试平台  45-46
  4.5 本章小结  46-47
结论  47-48
参考文献  48-52
攻读学位期间发表的学术论文  52-54
致谢  54

面向GPS信号同步算法的ARCA3指令集扩展

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