專利名稱：北斗導航定位系統(tǒng)的終端用戶機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及衛(wèi)星通訊領域中衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，具體涉及北斗導航定位系統(tǒng)終端用戶機，更具體地說，涉及所述終端用戶機中基帶信號處理部分和控制與接口單元部分的單芯片集成裝置。
背景技術：
北斗導航定位系統(tǒng)，簡稱北斗系統(tǒng)，是中國自主建成的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。衛(wèi)星導航定位是指利用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)提供位置、速度及時間等信息來完成對各種目標的定位、導航、監(jiān)測和管理。利用若干顆導航定位衛(wèi)星組成衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可以在任何時間、任何地點，為用戶確定其所在的地理經(jīng)緯度和海拔高度，目前，世界上只有少數(shù)幾個國家能夠自主研制生產(chǎn)這種衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2003年5月，我國第三顆北斗導航定位衛(wèi)星順利進入太空，下面分四部分簡要介紹我國的北斗系統(tǒng)。
(一)基本原理采用碼分多址擴頻通信，當發(fā)射出去的擴頻信號在被測物體反射回來后，在接收端解調(diào)出擴頻碼序列；然后比較收發(fā)兩個碼序列相位之差，就可以精確測出擴頻信號往返的時間差，從而算出二者之間的距離。在擴頻通信中如果擴展頻譜很寬，則意味著所采用的擴頻碼速率很高，每個碼片占用的時間就很短。
(二)技術體制目前北斗系統(tǒng)采用雙星有源定位，由兩顆工作衛(wèi)星和一顆備份衛(wèi)星組成，與終端用戶機之間采用詢問、應答的方式進行測距，能全天候、全天時提供區(qū)域衛(wèi)星導航信息，另外還可提供雙向通信服務；它在滿足我國國防建設需要的同時，還可用于經(jīng)濟建設，為我國交通運輸、氣象、石油、海洋、森林防火、災害預報、通信、公安以及其他特殊行業(yè)提供高效的導航定位服務，應用前景廣闊。
(三)應用。主要表現(xiàn)在①交通領域。北斗系統(tǒng)可以為遠洋船只及時提供導航定位信息，使其沿有利海流航行，為頻繁的航線提供實時的海上交通指揮，引導船只安全地進出港口，并用于船舶機動性能的測定；公路交通和鐵路運輸可通過移動車輛的實時定位信息的提供，進行鐵路和公路運輸車輛的監(jiān)控，以提高運力，確保安全，實現(xiàn)公路和鐵路等陸上交通運輸系統(tǒng)的有效管理。②測繪領域。北斗系統(tǒng)可用于建立高精度的全國性的大地測量控制網(wǎng)、測定全球性的地球動態(tài)參數(shù)；用于建立陸地海洋大地測量基準，進行海島陸地聯(lián)測以及海洋測繪；用于監(jiān)測地球板塊運動狀態(tài)和地殼形變；用于工程測量，建立城市與工程控制網(wǎng)；實現(xiàn)僅有少量地面控制或無地面控制的航測快速成圖等。③地質(zhì)勘探等野外作業(yè)。北斗系統(tǒng)可實現(xiàn)人煙稀少地區(qū)，特別是草原、沙漠、冰蓋、原始森林等缺少參照物地區(qū)的地質(zhì)隊、探險隊、作業(yè)隊、放牧隊、野外調(diào)查和勘探隊的大地導航和定位測量；④資料提供。為水文測報、森林防火、漁業(yè)生產(chǎn)、勘察設計、環(huán)境監(jiān)測等行業(yè)，提供精確的衛(wèi)星資料；⑤綜合服務。在災害的評估和搜索，搶險和救援等眾多行業(yè)，以及其他有特殊調(diào)度指揮要求的單位提供廉價、高效、可靠的定位、通信和授時等綜合服務。
(四)目前實用情況?；诒倍穼Ш蕉ㄎ坏母黝悜孟到y(tǒng)，特別是民用方面，已經(jīng)逐步建立和完善。①北京神州天鴻科技有限公司建立了一系列的民用應用系統(tǒng)，比如鐵路移動通訊平臺、水文測報系統(tǒng)、船舶調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)、森林防火指揮系統(tǒng)、民用營運中心、北斗民用系統(tǒng)。②2003年6月，《北斗系統(tǒng)民用車(船)載遇險報端設備技術條件和使用要求》、《北斗系統(tǒng)民用數(shù)據(jù)采集終端設備技術條件和使用要求》、《北斗系統(tǒng)民用車(船)載終端設備技術條件和使用要求》三個北斗民用終端標準也已經(jīng)送審稿，并報送國家有關部門進行審批。這些系列標準將對我國北斗民用終端的研發(fā)和制造起到積極的引導和規(guī)范作用，進一步推動北斗民用市場健康有序協(xié)調(diào)地發(fā)展。
進一步，北斗系統(tǒng)包括衛(wèi)星、地面中心處理站和用戶設備，北斗系統(tǒng)終端用戶機屬于北斗系統(tǒng)用戶設備，簡稱終端用戶機，是北斗系統(tǒng)不可缺少的的一個組成部分；根據(jù)北斗系統(tǒng)的應用領域不同，其終端用戶機的種類也不同，包括手持型用戶機、海上救生型用戶機、車載型用戶機、船載型用戶機、指揮型用戶機等等。上述所有終端用戶機都包括四個基本部分，分別是射頻處理部分、數(shù)字基帶信號處理部分、控制與接口部分以及顯示部分。
(一)射頻處理部分。包括接收通道和發(fā)射通道。其中接收通道，完成將接收到的射頻信號經(jīng)過濾波、放大、下變頻后轉換為基帶信號，并經(jīng)過模數(shù)轉換后給基帶提供數(shù)字基帶信號；發(fā)射通道對來自基帶處理部分的數(shù)字發(fā)射信號進行數(shù)模轉換、BPSK調(diào)制、上變頻到射頻信號，并經(jīng)過放大處理后發(fā)射到衛(wèi)星上去。
(二)數(shù)字基帶處理部分。包括接收模塊和發(fā)射模塊。北斗系統(tǒng)采用碼分多址擴頻通信體制。其基本原理是在擴頻通信中如果擴展頻譜很寬，則意味著所采用的擴頻碼速率很高，每個碼片占用的時間就很短。當發(fā)射出去的擴頻信號在被測物體反射回來后，在接收端解調(diào)出擴頻碼序列，然后比較收發(fā)兩個碼序列相位之差，就可以精確測出擴頻信號往返的時間差，從而算出二者之間的距離。測量的精度取決于碼片的寬度，也就是擴展頻譜的寬度，碼片越窄，擴展的頻譜越寬，精度越高。對于接收單元以數(shù)字基帶信號為輸入，需要完成擴頻碼同步與解擴、載波同步與解調(diào)、幀同步、譯碼校驗等處理，將接收到的信息送到接口單元進行進一步處理；發(fā)射模塊以接口模塊送來的發(fā)射信息為輸入，進行編碼、擴頻、并經(jīng)過濾波后送到射頻處理部分發(fā)射出去。
(三)控制與接口部分。主要完成對接收信號進行進一步處理，恢復出通信信息，送給顯示單元顯示；響應人機界面的操作，進行相應的處理。
(四)顯示部分顯示導航、定位、通信信息。
如圖1所示終端用戶機，采用板上集成系統(tǒng)，主要包括PDA(10)、CPU(11)、DSP(12)、射頻處理部分(6)、D/A(13)、A/D(14)、FPGA(15)，CPU(11)可連接外設(7)，能夠根據(jù)終端用戶機協(xié)議規(guī)定進行相互通訊。注大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷喎QFPGA；數(shù)字信號處理器，簡稱DSP；中央處理器，簡稱CPU；個人數(shù)字助理，簡稱PDA；外部設備，簡稱外設。
在圖1中，F(xiàn)PGA(16)主要完成基帶數(shù)據(jù)處理工作；DSP(13)輔助FPGA(16)完成基帶數(shù)據(jù)處理工作中一些相對復雜的數(shù)字信號處理；CPU(11)控制FPGA(16)的初始化，將基帶處理后的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)協(xié)議層處理，給FPGA(16)組織發(fā)送數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)顯示在PDA(10)上，接收PDA(10)的輸入，以及實現(xiàn)和外設的通訊。目前，從事北斗系統(tǒng)終端用戶機生產(chǎn)的廠商或研究機構有十幾家，主要采用這種板上集成結構。另外，有些廠商也采用FPGA(16)直接完成DSP(13)的功能，PDA(10)完成CPU(11)功能，從而將圖1的電路結構演變成射頻處理單元+FPGA+CPU/PDA的高級板上集成系統(tǒng)。
北斗系統(tǒng)應用領域廣泛，每種領域都可能包括在特殊環(huán)境下的使用，因此，不論是哪種類型終端用戶機，人們都要求①體積小、重量輕，以便于攜帶；②功耗小，待機時間長；③可靠性高；④價格便宜，利于批量生產(chǎn)和普及。但是，上述目前的板上集成系統(tǒng)終端用戶機，普遍存在與上述要求對應的不足①體積不夠小、重量較重，不利于攜帶；②功耗大，大多待機時間只有4～5小時，電池需要頻繁充電；③器件集成度不高，難以批量生產(chǎn)，價格高且可靠性較低；④由于板上集成的各種芯片，接口不統(tǒng)一，靈活性低，不利于添加新功能。另外，從用戶的角度講，小型化、低功耗，低成本和高可靠性以及模塊化是終端用戶機未來的發(fā)展趨勢，這種趨勢要求終端用戶機的集成度要高，最好是單片系統(tǒng)集成、完全實現(xiàn)終端用戶機的功能。
專用集成芯片Application-specific integrated circuit，簡稱ASIC，是一種專門用于某種應用的芯片，它區(qū)別于一般芯片，它一般只能用于一種特定應用，但它比一般芯片較速度快、集成度高。制造一種新的特定用途的ASIC芯片包括設計、分析、綜合、模擬、模型和測試等等。
實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術問題是，如何基于ASIC技術實現(xiàn)終端用戶機中基帶處理單元電路和控制與接口單元電路的單芯片集成化，降低終端用戶機的體積、重量、功耗和成本，從而便于實現(xiàn)便攜，適應野外環(huán)境；進一步，實現(xiàn)高集成終端用戶機的模塊化，提供靈活的接口，從而使更尖端的衛(wèi)星定位系統(tǒng)開發(fā)成為可能；進一步，降低高集成終端用戶機的動態(tài)功耗，延長終端用戶機的電池可待機時間。
本實用新型上述技術問題這樣解決，構造一種北斗導航定位系統(tǒng)的終端用戶機，是北斗導航定位系統(tǒng)的組成部分，包括依次雙向電連接的射頻處理部分、數(shù)字基帶信號處理部分和可連接外設和終端用戶機顯示部分的控制與接口部分，其特征在于，所述數(shù)字基帶信號處理部分和控制與接口部分內(nèi)置在集成芯片中。
該用戶機這樣接收和發(fā)射由天線進入的高頻衛(wèi)星信號經(jīng)所述射頻處理部分進入所述芯片，再由所述基帶處理模塊和CPU分收、發(fā)對指定地址的擴頻碼進行擴頻信號處理并響應，然后通過所述射頻處理部分將應答以預定格式發(fā)射回衛(wèi)星。這樣，無需價格高昂的FPGA和CPU，也不需要專門的PDA，提高了系統(tǒng)集成度，降低功耗和成本，其技術特點是利用ASIC技術實現(xiàn)北斗系統(tǒng)終端用戶機的單片集成，將目前終端用戶機系統(tǒng)板上的CPU和FPGA實現(xiàn)的功能電路集成到集成電路芯片中；進一步根據(jù)技術需要，還可以選擇將射頻處理單元集成到芯片中。
按照本實用新型提供的用戶機，其特征在于，所述芯片包括內(nèi)部總線以及連接在其上的用于總控制的CPU、可連接所述顯示部分或外設的外圍接口單元和連接所述射頻處理部分的基帶處理模塊。
接收時，該芯片這樣處理所述基帶數(shù)據(jù)處理模塊將所述模數(shù)轉換后的數(shù)據(jù)進行擴頻碼同步與解擴、載波同步與解調(diào)、幀同步、譯碼校驗，獲取數(shù)據(jù)結果，通過所述總線送入所述CPU進行數(shù)據(jù)拼裝和計算，并可進一步通過所述接口電路將所述數(shù)據(jù)結果送到外設進行處理；發(fā)送時，該芯片這樣處理所述CPU根據(jù)用戶設置或接口電路來的數(shù)據(jù)信息組織發(fā)送數(shù)據(jù)送給所述基帶數(shù)據(jù)處理模塊，經(jīng)編碼、擴頻和濾波后送入所述D/A轉換器。
該芯片基本工作還包括上電后，芯片內(nèi)集成的CPU通過外圍接口得到基帶數(shù)據(jù)處理單元的初始值對基帶數(shù)據(jù)處理模塊進行初始化。
按照本實用新型提供的用戶機，其特征在于，所述芯片還包括位于所述基帶處理模塊和內(nèi)部總線之間、所述基帶處理模塊指定雙向端口上的用于所述基帶處理單元和CPU之間進行控制狀態(tài)交互中介的基帶寄存器，所述基帶寄存器雙向連接所述內(nèi)部總線。
按照本實用新型提供的用戶機，其特征在于，所述芯片還包括位于所述基帶處理模塊和內(nèi)部總線之間、所述基帶處理模塊指定輸出和輸入端上的用于所述基帶處理單元和CPU之間進行數(shù)據(jù)交互中介的接收存儲器和發(fā)送存儲器，所述接收存儲器和發(fā)送存儲器雙向連接所述內(nèi)部總線，所述接收存儲器和發(fā)送存儲器可以是單或雙端口存儲器。
按照本實用新型提供的用戶機，其特征在于，所述基帶寄存器雙向連接所述內(nèi)部總線，該基帶寄存器是CPU和基帶處理模塊之間的控制狀態(tài)交互中介，CPU通過基帶寄存器配置基帶處理模塊的初值(比如初相、生成多項式等)，CPU也通過基帶寄存器控制基帶處理模塊的關閉、啟動等功能。基帶處理模塊通過基帶寄存器通知CPU是否有數(shù)據(jù)要接收，接收數(shù)據(jù)CRC校驗結果是否錯、發(fā)送數(shù)據(jù)是否完成等狀態(tài)信息；按照本實用新型提供的用戶機，其特征在于，所述發(fā)送存儲器是CPU和基帶處理模塊之間發(fā)送數(shù)據(jù)交互中介。CPU將組織后的發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送存儲器中，通過基帶寄存器啟動基帶處理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，然后基帶處理模塊可以從發(fā)送存儲器讀出發(fā)送數(shù)據(jù)，進行編碼、擴頻、并經(jīng)過濾波后送到射頻處理部分發(fā)射出去。
按照本實用新型提供的用戶機，其特征在于，所述接收存儲器是CPU和基帶處理模塊之間接收數(shù)據(jù)交互中介?；鶐幚砟K將處理后的數(shù)據(jù)結果寫入接收存儲器中，通過基帶寄存器通知CPU有數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，然后CPU可以從接收存儲器讀出基帶處理模塊將處理后的數(shù)據(jù)結果。
按照本實用新型提供的用戶機，其特征在于，所述接收存儲器和發(fā)送存儲器可以是雙端口或單端口存儲器。當是單端口存儲器時，CPU和基帶處理模塊之間存在仲裁機制。
終端用戶機動態(tài)功耗，主要是因為電路節(jié)點電平翻轉產(chǎn)生的，只要減少電路節(jié)點翻轉，就可以降低動態(tài)功耗。因為基帶信號來自多個波束信號，在許多應用場合下，并不需要所有的波束都工作，此時可以讓對應波束的時鐘使能寄存器無效，關閉對應波束處理電路的時鐘；或讓對應波束的工作使能寄存器無效，讓對應波束處理電路節(jié)點不發(fā)生翻轉，降低動態(tài)功耗。在有些應用場合，基帶處理模塊只是間歇性的工作，此時也可通過間歇性地關閉基帶處理模塊時鐘或停止基帶處理模塊工作方式來降低動態(tài)功耗。根據(jù)基帶信號的特點，本實用新型針對基帶處理單元提出了采用時鐘關閉方式和工作使能方式降低動態(tài)功耗的方案按照本實用新型提供的用戶機，其特征在于，所述芯片還包括位于所述基帶處理模塊和內(nèi)部總線之間、所述基帶處理模塊指定雙向端口上的用于所述基帶處理單元和CPU之間進行控制狀態(tài)交互中介的基帶寄存器，所述基帶寄存器雙向連接所述內(nèi)部總線。
按照本實用新型提供的用戶機，其特征在于，所述基帶處理模塊包括用于控制其關閉或間歇工作的工作寄存器，所述用戶機還包括分別連接在所述工作寄存器設定工作模式數(shù)據(jù)的輸入端和工作時鐘輸入端的可輸出數(shù)據(jù)的工作模式選擇單元和可產(chǎn)生時鐘的時鐘門控單元，所述工作模式選擇單元和時鐘門控單元還連接，受可區(qū)分不需要工作的無線波束和識別間歇工作場合的所述CPU控制的基帶寄存器；所述工作模式選擇單元和時鐘門控單元可以是一個或多個。
按照本實用新型提供的用戶機，其特征在于，基帶寄存器包括指定的時鐘使能寄存器和工作使能寄存器，分別連接所述時鐘門控單元和工作模式選擇單元。
該方案涉及包括含時鐘使能寄存器、工作使能寄存器、工作模式選擇單元、時鐘門控單元和工作寄存器的降功耗電路，所述時鐘使能寄存器和工作使能寄存器包含在所述基帶寄存器中；所述降功耗電路這樣工作所述CPU分析基帶信號并根據(jù)分析結果改變所述時鐘使能寄存器和工作使能寄存器的值，再經(jīng)所述工作模式選擇單元和時鐘門控單元產(chǎn)生所述工作寄存器的數(shù)據(jù)輸入和時鐘輸入，然后再由所述工作寄存器控制所述基帶處理模塊是否工作。
工作寄存器是基帶處理模塊中的觸發(fā)器(由實現(xiàn)相關功能的眾多觸發(fā)器組成)。工作寄存器的正常工作模式下，基帶處理模塊才能完成基帶信號處理功能。
所述時鐘門控電路和工作模式選擇電路的具體工作過程①工作模式選擇單元產(chǎn)生工作寄存器的數(shù)據(jù)輸入DINX。當工作使能寄存器輸出EnableX有效時，工作模式寄存器輸出DINX選擇正常輸入；如果工作寄存器的工作時鐘CLKX使能，工作寄存器能正常工作。當工作使能寄存器輸出EnableX無效時，工作模式寄存器輸出DINX選擇恒定的初值輸入；無論工作寄存器的工作時鐘CLKX是否使能，工作寄存器保持常值，降低了動態(tài)變化功耗。②時鐘門控單元根據(jù)時鐘使能寄存器輸出CLKXEN產(chǎn)生門控時鐘CLKX。CLKX是工作寄存器的工作時鐘。當CLKXEN無效時，門控時鐘CLKX恒定輸出高電平或低電平，工作寄存器的時鐘不翻轉，工作寄存器的輸出也不會發(fā)生改變，達到了降低動態(tài)功耗的目的。當CLKXEN有效時，門控時鐘CLKX的相位隨SCLK改變而改變，如果此時工作使能寄存器輸出EnableX有效，工作寄存器將正常工作。
所述降功耗電路可以因為基帶處理模塊處理的的波束數(shù)量而存在多個時鐘門控電路和工作模式選擇電路。
所述基帶寄存器包括指定的時鐘使能寄存器和工作使能寄存器，分別連接所述時鐘門控單元和工作模式選擇單元。①時鐘使能寄存器工作在時鐘SCLK下，是基帶寄存器的一部分。時鐘使能寄存器受CPU控制，CPU能改變時鐘使能寄存器的值。時鐘使能寄存器的輸出CLKXEN信號控制時鐘門控單元的輸出CLKX。②工作使能寄存器工作在時鐘SCLK下，是基帶寄存器的一部分。工作使能寄存器受CPU控制，CPU能改變工作使能寄存器的值。工作使能寄存器的輸出EnableX信號控制工作模式選擇單元的選擇輸出DINX。
按照本實用新型提供的用戶機，其特征在于，所述芯片還包括連接在所述總線上的帶外掛處理器接口的接口存儲器，所述接口存儲器是雙口存儲器；所述接口存儲器可作為數(shù)據(jù)交互存儲器，也可以單獨作為所述CPU的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器。CPU通過內(nèi)部總線可以讀寫接口存儲器，外掛處理器可以通過外掛處理器接口讀寫接口存儲器。CPU和外掛處理器可以同時訪問接口存儲器，雙方可以通過預先定義的軟件協(xié)議實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)通訊。接口存儲器有兩個優(yōu)點1)實現(xiàn)了CPU與外掛處理器之間的并行通訊，方便本裝置擴展協(xié)處理器；2)方便更高級別的處理器把本裝置當作協(xié)處理器一樣使用，利用接口存儲器向本裝置傳遞初始值(既基帶處理單元相關的初值可以不從外圍接口單元或存儲控制器得到)或其它控制信號，本裝置與更高級別的處理器配合完成基帶信號的接收與發(fā)送處理。
按照本實用新型提供的用戶機，其特征在子，所述芯片還包括可用于可連接外部數(shù)據(jù)存儲器或外設的與所述內(nèi)部總線雙向連接的存儲控制器。該存儲控制器產(chǎn)生CPU訪問外部存儲器的接口時序，CPU通過存儲控制器讀取用戶程序，訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或掛在存儲器接口總線上的其它外設。
按照本實用新型提供的用戶機，其特征在于，所述基帶處模塊可通過集成在所述單一芯片中的D/A和A/D轉換器連接所述射頻處理部分；所述射頻處理部分進行上變頻或下變頻，所述A/D和D/A轉換器進行模數(shù)轉換和數(shù)模轉換。
按照本實用新型提供的用戶機，其特征在于，所述CPU可以是中央處理器、數(shù)字信號處理器DSP或兩者集成的任一種，當包含數(shù)字信號處理器DSP時，該數(shù)字信號處理器DSP可以輔助基帶處理模塊進行一些(接收或發(fā)送)數(shù)據(jù)信號處理；所述外圍接口單元包括但不限于以下外圍接口通用異步收發(fā)器UART、通用串行總線USB、同步串行外圍接口SPI、內(nèi)部集成電路總線(I2C)或并行接口其中的任一種或多種。
本實用新型提出的北斗終端用戶機，與目前板上集成系統(tǒng)相比①采用單芯片集成，不再需要配套大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?FPGA)和處理器(DSP或CPU)，大大降低終端用戶機的體積、重量、功耗和成本，有利于實現(xiàn)適應野外環(huán)境的便攜機，并且提高了保密性；②提供了靈活的外圍接口和外掛處理器接口，實現(xiàn)終端用戶機的模塊化，降低了開發(fā)更尖端的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的復雜度。③采用的門控時鐘和工作使能兩種方式，進一步降低了終端用戶機的功耗，實現(xiàn)了延長待機時間的目的。


圖1是目前板上集成終端機的普遍硬件結構框圖。
圖2是本實用新型提供的基于ASIC技術的終端用戶機的硬件結構框圖。
圖3是圖2所示終端用戶機中“終端用戶機集成芯片U”的結構圖。
圖4是圖3所示結構圖中實現(xiàn)降低動態(tài)功耗部分的電原理圖具體實施方式
首先，說明本實用新型的基礎點(一)本實用新型裝置基于北斗導航定位原理。終端用戶機要能夠根據(jù)北斗系統(tǒng)智能卡信息或外設來的信息進行初始化配置；終端用戶機需要接收北系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，并能向衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)和信號；接收時終端用戶機要從接收到衛(wèi)星射頻信號解析出真實的信息，并能將真實信息送到外設(比如個人數(shù)字助理PDA或液晶顯示屏)進行顯示，并根據(jù)外設輸入要求對相關信息做必要的計算(比如坐標轉換)。發(fā)射時，終端用戶機能接受外設的指令，組織發(fā)送數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)最終轉換成射頻信號向衛(wèi)星發(fā)射；終端用戶機要能完成和外設以及智能卡的通訊協(xié)議要求的功能。
(二)本終端用戶機，與板上集成系統(tǒng)相比較，其最大特點是將基帶處理單元、處理器集成在單個集成電路芯片中，提供更為靈活的外圍接口和外掛處理器接口，并根據(jù)基帶處理單元的特點采用了降低動態(tài)功耗的策略，具體是①集成的基帶處理單元對接收的射頻信號進行擴頻碼同步與解擴、載波同步與解調(diào)、幀同步、譯碼校驗等處理，對發(fā)送信號行編碼、擴頻，并經(jīng)過濾波等處理；②集成的處理器可以是中央處理器CPU或數(shù)字信號處理器DSP或兩者的組合。處理器可以運行用戶程序，控制這個裝置的正常運行；完成對基帶處理單元處理后的數(shù)據(jù)進行進一步處理，準備基帶處理單元的發(fā)送數(shù)據(jù)；通過運行用戶程序，實現(xiàn)用戶層協(xié)議。③集成的多個存儲器實現(xiàn)基帶處理單元和處理器之間的數(shù)據(jù)交換，并利用專門的功能寄存器實現(xiàn)處理器和基帶處理單元的控制和狀態(tài)信息交換。④集成的接口存儲器，很方便地實現(xiàn)了處理器和和外掛處理器之間的數(shù)據(jù)交換。⑤集成的外圍接口單元，提供了本裝置和外圍設備通訊的硬件接口，為用戶協(xié)議實現(xiàn)提供了物理通道。⑥降低動態(tài)功耗的電路結構，是針對終端用戶機基帶處理單元的特點提出的，對不需要處理的波束信號，可以關閉對應電路的工作時鐘或不使能對應電路的觸發(fā)器數(shù)據(jù)輸入，從而停止電路內(nèi)部節(jié)點的翻轉，實現(xiàn)降低動態(tài)功耗的目的。
進一步，結合附圖進行說明。
(一)如圖2所示，本終端用戶機包括天線8、射頻處理部分、集成基帶處理部分和控制與接口部分的終端用戶機集成芯片3、顯示部分5和可連在其上的外設7。
(二)圖2中終端用戶機集成芯片3，其結構如圖3所示，包括外圍接口單元口30、處理器31、存儲控制器32、接口存儲器33、基帶寄存器34、接收存儲器35、發(fā)送存儲器36、數(shù)模轉換器37、基帶處理單元38、模數(shù)轉換器39和內(nèi)部總線300，具體如下(1)所述處理器31采用中央處理器CPU，其作用是①運行用戶程序，控制整個裝置的正常運行；②根據(jù)北斗終端用戶機協(xié)議對基帶處理單元38處理后的結果進行數(shù)據(jù)拼裝；③根據(jù)北斗終端用戶機協(xié)議組織發(fā)送數(shù)據(jù)幀；根據(jù)北斗終端用戶機協(xié)議和智能卡與專用外設通訊；④根據(jù)用戶自定義協(xié)議和外掛處理器進行通訊；⑤完成用戶自定義功能。用戶程序位于外掛存儲器，處理器31通過存儲控制器32訪問外部程序和外部數(shù)據(jù)區(qū)；用戶可以在程序區(qū)實現(xiàn)用戶通訊協(xié)議中要求完成的功能。處理器31通過運行用戶程序的方式控制整個裝置的正常運行，因此本裝置不受北斗終端用戶機協(xié)議升級的影響，便于用戶產(chǎn)品的升級。
(2)所述外圍接口單元30是本裝置實現(xiàn)終端用戶機與外設通訊的硬件接口。該外圍接口單元包括多個通用異步收發(fā)器UART，其中一個UART完成與北斗系統(tǒng)專用智能卡的通訊；一個UART完成和終端用戶機專用外設的通訊；一個UART可以接全球定位系統(tǒng)(GPS)定位模塊，完成GPS定位和北斗定位的數(shù)據(jù)融合；其它UART可以根據(jù)用戶需要接相關的外設。UART接收時，UART將接收到的數(shù)據(jù)報送處理器31，處理器31根據(jù)通訊協(xié)議做出相關操作；UART發(fā)送時，處理器31根據(jù)通訊協(xié)議組織UART的發(fā)送數(shù)據(jù)和發(fā)送格式，完成終端用戶機通訊協(xié)議和其它用戶協(xié)議要求的功能。外圍接口單元30也包括多個中斷輸入；不同的中斷輸入可以喚醒處理器31完成相關的操作。外圍接口單元30還包括多個通用并口，處理器31可以從通用并口捕獲輸入狀態(tài)或輸出控制信息。外圍接口單元30還包括通用串行總線USB接口，本裝置利用USB接口可以與外部USB設備進行大數(shù)據(jù)量快速通訊，比如從外部USB設備下載數(shù)字地圖等。外圍接口單元30包括同步串行外圍接口SPI，本裝置利用SPI接口實現(xiàn)與外圍設備的同步串行通訊，同步串行通訊與UART相比，提高了本裝置串行通訊的可靠度。外圍接口單元30還包括內(nèi)部集成電路總線(I2C)接口，可以和支持I2C的設備的微控制器(MCU)，A/D、D/A轉換器，儲存器，LCD控制器，LED驅動器，I/O端口擴展器以及實時時鐘等外設進行數(shù)據(jù)通訊。
(3)基帶處理單元38完成對不同衛(wèi)星波束信號的信息解碼。上電后，處理器31從智能卡或外設或外掛處理器得到初始配置值，對基帶寄存器34進行參數(shù)初始化，從而完成對基帶處理單元38的初始化。接收數(shù)據(jù)時，模數(shù)轉換器39將來自射頻處理單元的射頻信號轉換成基帶處理單元38能識別的數(shù)字信號，基帶處理單元38根據(jù)基帶寄存器的參數(shù)配置對模數(shù)轉換器39輸出的數(shù)字信號進行擴頻碼同步與解擴、載波同步與解調(diào)、幀同步、譯碼校驗等處理，并將數(shù)據(jù)準備情況和數(shù)據(jù)校驗狀態(tài)送到基帶寄存器34中；基帶寄存器34通過中斷方式通知處理器31來處理接收存儲器35中的數(shù)據(jù)(處理器31也可以通過查詢的方式判斷基帶處理單元38的數(shù)據(jù)準備情況和數(shù)據(jù)校驗狀態(tài)，然后根據(jù)狀態(tài)去處理接收存儲器35中的數(shù)據(jù)。)發(fā)射時，處理器31將組織好的發(fā)送數(shù)據(jù)寫入發(fā)送存儲器36中，然后通過基帶寄存器34啟動基帶處理單元38的發(fā)送功能?；鶐幚韱卧?8發(fā)送功能被啟動后，基帶處理單元38從發(fā)送存儲器36中讀出待發(fā)送數(shù)據(jù)，對其進行編碼、擴頻，并經(jīng)過濾波后得到多比特的數(shù)字信號；基帶處理單元38將濾波后的數(shù)字信號送給數(shù)模轉換器37，數(shù)模轉換器37將該數(shù)字信號轉換成模擬信號；數(shù)模轉換器37轉換后的模擬信號送到射頻處理單元，射頻處理單元將最后的信號發(fā)射出去。
(4)接口存儲器33實現(xiàn)了本裝置和外掛處理器之間的數(shù)據(jù)包通訊。接口存儲器33是一個雙口存儲器。本裝置通過接口存儲器13的外掛處理器接口，可以外掛一個處理器。處理器31和外掛處理器可以同時訪問接口存儲器33，外掛處理器對接口存儲器33的訪問和訪問普通存儲器一樣方便。當外掛處理器向本裝置傳遞數(shù)據(jù)時，一種常見的操作模式是外掛處理器先向接口存儲器33寫入待傳遞的數(shù)據(jù)包，然后向存儲器33約定的地址寫入輸入狀態(tài)指示；本裝置的處理器31從約定地址查詢到輸入狀態(tài)指示數(shù)據(jù)包準備好后，將數(shù)據(jù)包從存儲器33中讀走，并從數(shù)據(jù)包得到外掛處理器輸入的實際數(shù)據(jù)。當處理器31向外掛處理器傳遞數(shù)據(jù)時，一種常見的操作模式是處理器31先向接口存儲器33寫入待傳遞的數(shù)據(jù)包，然后向存儲器33約定的地址寫入輸出狀態(tài)指示；外掛處理器從約定地址查詢到輸出狀態(tài)指示數(shù)據(jù)包準備好后，將數(shù)據(jù)包從存儲器33中讀走，并從數(shù)據(jù)包得到處理器31輸出的實際數(shù)據(jù)。處理器31和外掛處理器之間也可以不用查詢方式，而通過外圍接口單元30的中斷信號來通知對方是否有數(shù)據(jù)準備好。接口存儲器33有兩個優(yōu)點1)實現(xiàn)了處理器之間的并行通訊，方便本裝置擴展協(xié)處理器；2)方便更高級別的處理器把本裝置當作協(xié)處理器一樣使用，利用接口存儲器33向本裝置傳遞初始值(即基帶處理單元相關的初值可以不從外圍接口單元30或存儲控制器32得到)或其它信息，本裝置與更高級別的處理器配合完成基帶信號的接收與發(fā)送處理。
(三)將處理器、大規(guī)?？删幊唐骷﨔PGA等電路完成的功能集成到單一芯片中，已經(jīng)大幅度降低了系統(tǒng)功耗，而采用了本裝置的降低動態(tài)功耗的電路，將進一步降低了系統(tǒng)功耗，該電路如圖4所示，包括時鐘使能寄存器40、工作使能寄存器41、工作模式選擇單元42、時鐘門控單元43、工作寄存器44，具體如下(1)時鐘使能寄存器40工作在時鐘SCLK下，是基帶寄存器34的一部分。時鐘使能寄存器40受處理器31控制，處理器31能改變時鐘使能寄存器40的值。時鐘使能寄存器40的輸出CLKXEN控制時鐘門控單元的輸出CLKX。在實例中，時鐘使能寄存器40輸出CLKXEN有效值是“0”，即“0”將開啟基帶處理單元38內(nèi)部觸發(fā)器的時鐘；“1”將關閉基帶處理單元38內(nèi)部觸發(fā)器的時鐘。
(2)工作使能寄存器41工作在時鐘SCLK下，是基帶寄存器34的一部分。工作使能寄存器41受處理器31控制，處理器31能改變工作使能寄存器41的值。工作使能寄存器41的輸出EnableX控制工作模式選擇單元42的選擇輸出DINX。在實例中，工作使能寄存器41輸出EnableX有效值是“1”，即“1”將選擇基帶處理單元38正常功能模式；“0”將選擇復位模式，工作寄存器44將停止翻轉。
(3)工作模式選擇單元42產(chǎn)生工作寄存器44的數(shù)據(jù)輸入DINX。當工作使能寄存器41輸出EnableX有效時，工作模式選擇單元42輸出DINX選擇正常輸入；如果工作寄存器44的工作時鐘CLKX使能，工作寄存器44能正常工作。當工作使能寄存器41輸出EnableX無效時，工作模式選擇單元42輸出DINX選擇恒定的初值輸入；無論工作寄存器44的工作時鐘CLKX是否使能，工作寄存器44保持常值，降低了動態(tài)變化功耗。在實例中，DX是工作寄存器44的復位初值輸入，DY是工作寄存器44的正常值輸入，工作模式選擇單元42的輸出DINX是當EnableX為“0”時，選擇DX作為DINX輸出；當EnableX為“1”時，選擇DY作為DINX輸出。DINX的邏輯表達時如下if(EnableX＝0)DINX＝DX；elseDINX＝DY；當EnableX為“0”，選擇DX作為DINX輸出，因為DX是恒值，DINX將不變化。
(4)時鐘門控單元43根據(jù)時鐘使能寄存器40輸出CLKXEN產(chǎn)生門控時鐘CLKX。CLKX是工作寄存器44的工作時鐘。當CLKXEN無效時，門控時鐘CLKX恒定輸出高電平或低電平，工作寄存器44的時鐘不翻轉，工作寄存器44的輸出也不會發(fā)生改變，達到了降低動態(tài)功耗的目的。當CLKXEN有效時，門控時鐘CLKX的相位隨SCLK改變而改變，如果此時工作使能寄存器41輸出EnableX有效，工作寄存器44將正常工作。在實例中，當CLKXEN為“0”時，選擇SCLK作為CLKX輸出；當CLKXEN為“1”時，選擇“1”作為CLKX輸出。CLKX的邏輯表達時如下if(CLKXEN＝0)CLKX＝SCLK；elseCLKX＝1；當CLKXEN為“1”，選擇“1”作為CLKX輸出，即門控時鐘CLKX為恒值“1”，不會發(fā)生翻轉，此時實現(xiàn)了降低動態(tài)功耗的目的，而時鐘的動態(tài)功耗是芯片的主要動態(tài)功耗，降低時鐘動態(tài)功耗，將大大降低整個芯片的動態(tài)功耗。
(5)工作寄存器44是基帶處理單元38中的觸發(fā)器。工作寄存器44的正常工作模式下，基帶處理單元38才能完成基帶信號處理功能。觸發(fā)器的特點是只有在時鐘邊沿處(上升沿或下降沿)，采樣信號輸入，并將輸入信號保持到輸出上。在實例中，當時鐘使能寄存器40的輸出是“1”時，時鐘門控單元43輸出給工作寄存器44是恒值“1”，不發(fā)生翻轉，即不存在時鐘邊沿，工作寄存器44也就不會發(fā)生改變。因此降低了電路的動態(tài)功耗。當工作使能寄存器41輸出EnableX是“0”時，工作模式選擇單元42送給工作寄存器44的信號輸入DINX是恒值DX，此時不管CLKX是否翻轉，工作寄存器44的輸出都不會翻轉，因此降低了電路的動態(tài)功耗。
另，在實例中，本裝置可以處理多個波束的信號。每一個波束都有自己的時鐘使能信號CLKXEN和工作使能信號EnableX。在許多應用場合下，基帶處理單元38并不需要處理所有波束的信號，此時可以讓對應波束的時鐘使能寄存器無效，關閉對應波束處理電路的時鐘；或讓對應波束的工作使能寄存器無效，讓對應波束處理電路節(jié)點不發(fā)生翻轉，降低動態(tài)功耗。在有些應用場合，基帶處理單元38只是間歇性地工作，此時也可通過間歇性地關閉時鐘或工作模式不使能的方式降低動態(tài)功耗。
(1)所述使能寄存器41的輸出也可以設置為“0”有效，此時DINX的邏輯表達時如下if(EnableX＝1)DINX＝DX；elseDINX＝DY；當EnableX為“1”，選擇DX作為DINX輸出，因為DX是恒值，DINX將不變化。
(2)所述時鐘使能寄存器40的輸出也可以設置為“1”有效，此時CLKX的邏輯表達時如下if(CLKXEN＝1)
CLKX＝SCLK；elseCLKX＝0；當CLKXEN為“0”，選擇“0”作為CLKX輸出，即門控時鐘CLKX為恒值“0”，不會發(fā)生翻轉。
權利要求1.一種北斗導航定位系統(tǒng)的終端用戶機，是北斗導航定位系統(tǒng)的組成部分，包括依次雙向電連接的射頻處理部分(6)、數(shù)字基帶信號處理部分和可連接外設和終端用戶機顯示部分的控制與接口部分，其特征在于，所述數(shù)字基帶信號處理部分和控制與接口部分內(nèi)置在集成芯片(3)中。
2.根據(jù)權利要求1所述用戶機，其特征在于，所述芯片(3)包括內(nèi)部總線(300)以及連接在其上的用于總控制的CPU(31)、可連接所述顯示部分或外設的外圍接口單元(30)和連接所述射頻處理部分(6)的基帶處理模塊(38)。
3.根據(jù)權利要求2所述用戶機，其特征在于，所述芯片(3)還包括位于所述基帶處理模塊(38)和內(nèi)部總線(300)之間、所述基帶處理模塊(38)指定雙向端口上的用于所述基帶處理模塊(38)和CPU(31)之間進行控制狀態(tài)交互中介的基帶寄存器(34)，所述基帶寄存器(34)雙向連接所述內(nèi)部總線(300)。
4.根據(jù)權利要求3所述用戶機，其特征在于，所述基帶處理模塊(38)包括用于控制其關閉或間歇工作的工作寄存器(44)，所述用戶機還包括分別連接在所述工作寄存器(44)的工作模式選擇單元(42)，用來設定工作模式數(shù)據(jù)的輸入端和時鐘門控單元(43)用來設定工作時鐘輸入端，所述工作模式選擇單元和時鐘門控單元還連接基帶寄存器(34)，受可區(qū)分不需要工作的無線波束和識別間歇工作場合的所述CPU(31)控制；所述工作模式選擇單元(42)和時鐘門控單元(43)可以是多個。
5.根據(jù)權利要求4所述用戶機，其特征在于，基帶寄存器包括指定的時鐘使能寄存器(40)和工作使能寄存器(41)，分別連接所述時鐘門控單元(42)和工作模式選擇單元(43)。
6.根據(jù)權利要求3所述用戶機，其特征在于，所述芯片(3)還包括位于所述基帶處理模塊(38)和內(nèi)部總線(300)之間接收存儲器(35)和發(fā)送存儲器(36)；所述基帶處理模塊(38)和CPU(31)通過所述接收存儲器(35)和發(fā)送存儲器(36)交換數(shù)據(jù)；所述接收存儲器(35)和發(fā)送存儲器(36)雙向連接所述內(nèi)部總線(300)，所述接收存儲器(35)和發(fā)送存儲器(36)可以是單端口或雙端口存儲器。
7.根據(jù)權利要求2所述用戶機，其特征在于，所述芯片(3)還包括帶外掛處理器接口的與所述內(nèi)部總線雙向連接的接口存儲器(33)，所述接口存儲器(33)為雙端口存儲器；所述芯片(3)和外掛處理器通過所述接口存儲器(33)實現(xiàn)數(shù)據(jù)包交換。
8.根據(jù)權利要求2所述用戶機，其特征在于，所述芯片(3)還包括可用于可連接外部數(shù)據(jù)存儲器或外設的與所述內(nèi)部總線(300)雙向連接的存儲控制器(32)。
9.根據(jù)權利要求2所述用戶機，其特征在于，所述基帶處模塊(38)可通過集成在所述芯片(3)中的D/A和A/D轉換器連接所述射頻處理部分(6)。
10.根據(jù)權利要求2所述用戶機，其特征在于，所述CPU(31)可以是中央處理器、數(shù)字信號處理器DSP或兩者集成的任一種；所述外圍接口單元(30)包括通用異步收發(fā)器UART、通用串行總線USB、同步串行外圍接口SPI、內(nèi)部集成電路總線(I2C)或并行接口其中的任一種或多種。
專利摘要本實用新型涉及并公開了一種北斗導航定位系統(tǒng)的終端用戶機，采用ASIC技術的，包括天線(8)、射頻處理部分(6)和集成電路芯片(3)；所述芯片(3)實現(xiàn)了CPU(31)和基帶處理模塊(38)的單一芯片集成，包括內(nèi)部總線(300)及其上的CPU(31)、外圍接口單元(30)和基帶處理模塊(38)，還包括連接在其上的可外掛處理器的接口存儲器(32)，以及降低基帶處理模塊(38)動態(tài)功耗的低功耗電路；CPU(31)和基帶處理模塊(38)之間通過接收存儲器(35)和發(fā)射存儲器(36)交換數(shù)據(jù)。這種用戶機，高度集成、降低了終端用戶機的體積、重量、功耗和成本；模塊化、降低了開發(fā)尖端的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的復雜度；基于用戶基帶信號處理特征的低功耗方案，進一步延長了終端可待機時間。
文檔編號G01S19/13GK2800292SQ20042000012
公開日2006年7月26日 申請日期2004年1月2日 優(yōu)先權日2003年12月22日
發(fā)明者王良清, 李勇 申請人:李劍