Konzeption und Entwurf flächen- und energie-effizienter digitaler GNSS-Empfänger

Kappen, Götz Caspar; Noll, Tobias G.

doi:4139

Konzeption und Entwurf flächen- und energie-effizienter digitaler GNSS-Empfänger = Design and implementation of area- and energy-efficient digital GNSS-receivers

Kappen, Götz Caspar

2011 & 2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Götz Caspar Kappen

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

Umfang140 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache. - Prüfungsjahr: 2011. - Publikationsjahr: 2012

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Noll, Tobias G. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-07-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-41393
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82788/files/4139.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Allgemeine Elektrotechnik und Datenverarbeitungssysteme (611110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Digitalschaltung (Genormte SW) ; GNSS-2 (Genormte SW) ; Software Radio (Genormte SW) ; Anwendungsspezifischer Prozessor (Genormte SW) ; GPS (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; cost models (frei) ; GLONASS (frei) ; low power (frei) ; communication systems (frei) ; satellite navigation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Nach dem Abschalten der künstlichen Verschlechterung des GPS-Signals im Jahr 2000 und Dank der Fortschritte in der Hochintegration digitaler und analoger Schaltungen hat die Verbreitung von Satellitennavigationssystemen für eine Vielzahl von Anwendungen dramatisch zugenommen. Neben dem bisher in der Regel genutzten US-amerikanischen „Navstar GPS” sind jedoch weitere Satellitennavigationssysteme in Planung oder schon verfügbar. Das russische „GLONASS”-System ist seit Ende 2009 wieder vollständig etabliert und das europäische System „Galileo” sowie das chinesische System „COMPASS” befinden sich im Aufbau. Eine vollständige Konstellation aus vier unabhängigen „Global Navigation Satellite Systems” (GNSSs) wird es zukünftigen Nutzern ermöglichen, die Genauigkeit, die Verfügbarkeit sowie die Integrität der Positionsbestimmung signifikant zu steigern. Die vorliegende Dissertationsschrift ist daher der Konzeption und dem Entwurf flächen- und energie-effizienter digitaler GNSS-Empfänger gewidmet. Zur strukturierten Analyse von GNSS-Empfängerarchitekturen und Empfängerparametern wird eine Methodik erarbeitet, welche ausgehend von einer konkreten Anwendung effiziente Lösungen identifiziert. Der Ansatz nutzt dabei Optimierungen auf allen Ebenen des Entwurfsablaufs vom Algorithmus bis zur physikalischen Implementierung. Für den Korrelator wird ein flexibles Modell eingeführt, welches eine frühzeitige Bewertung verschiedener Implementierungen sowie eine Analyse des Abtausches zwischen Fläche und Verlustleistung (Kosten) gestattet. Die Auswirkungen der Korrelatorkanalparameter auf das Signal-Rausch-Verhältnis (Nutzen) werden mit Hilfe eines theoretischen Ansatzes bestimmt sowie durch Simulationen und Messungen validiert. Zur effizienten Realisierung der zentralen Recheneinheit, welche die steigenden Rechenleistungsanforderungen insbesondere für die Positionsschätzung erfüllen muss, wird ein für den Einsatz in GNSS-Empfängern optimierter, „Application Specific Instruction Set Processor” (ASIP) eingesetzt. Die Arbeit beschreibt die Entwurfsraumuntersuchung und die Steigerung der Effizienz des ASIPs durch Modifikationen des Instruktionssatzes sowie durch Verwendung anwendungsspezifischer Coprozessoren. Schließlich erlaubt eine Erweiterung der ASIP-Architektur zu einem „Single Instruction Multiple Data” (SIMD) Prozessor eine echtzeitfähige Realisierung eines „Software Defined Radio” (SDR) Empfängers und erhöht damit die Flexibilität des GNSS-Empfängers.

Since the intentional degradation of the US-American Navstar-GPS signal has been switched off in the year 2000 and thanks to the progress in the integration of digital and analog circuits the usage of satellite navigation receivers has been increased significantly. Beside the "Navstar GPS" system, which is supported by most commercially receivers available today, further satellite navigation systems already exist or are under current development. The Russian system "GLONASS" is fully operable again since 2009 and the European "Galileo" as well as the Chinese "Compass" systems are in the deployment phase. A full constellation, consisting of these four "Global Navigation Satellite Systems" (GNSSs), will significantly increase accuracy, availability, and integrity for future GNSS users. Therefore, this thesis focuses on the conception and design of energy- and area-efficient digital GNSS receivers. A new methodology is developed for a structured analysis of GNSS receiver architectures and receiver parameters, which identifies efficient receiver solutions for a given application. The presented approach comprises optimizations on all levels of CMOS design, starting from algorithmic system level and ending with the physical-implementation level. For the correlator a flexible model is introduced, which enables a comparison of different implementations as well as an analysis of possible trade-offs between silicon area and power dissipation (costs) in a very early design phase. The impact of the correlator-channel parameters on the signal-to-noise-ratio (benefit) are determined by a theoretical analysis and are validated by simulations as well as by measurements. Since the central processing unit has to provide an increased computational performance to process all available GNSSs in parallel, an "Application Specific Instruction Set Processor" (ASIP) optimized for GNSS receiver algorithms is proposed. The exploration of the design space in order to increase the ASIP’s efficiency by using an optimized instruction set as well as tightly coupled application-specific co-processors is described. Finally, "Single Instruction Multiple Data" (SIMD) ASIP architecture, which provides sufficient performance to realize a "Software Defined Radio" (SDR) GNSS receiver, is introduced. It allows for a significantly increased flexibility, as the whole digital receiver processing, including the correlation, can be defined in software.

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