FFT-based correlator design for GNSS receiver using high-level synthesis

Abstract

New Global Navigation Satellite Systems (GNSS) pose new challenges to the receiver architecture. One of these challenges is the increasing length of a pseudo-random-noise (PRN) code sequence in the signal. As this code is used in the signal acquisition process to calculate correlation, the increasing length makes the correlation task more time-consuming. The traditional method of calculating the correlation has been in the time-domain, but a possibility for correlation in frequency-domain also exists.

In this thesis, the frequency-domain correlation option is explored by creating a correlator design, that utilizes Fast Fourier Transform (FFT) to speed up the transformation between time- and frequency-domains. This provides potential performance gain over the time-domain approach. The implementation of this design is done using High-Level Synthesis tools, which saves some time on the coding part and makes it possible to focus more on the algorithm side of the process.

The presented design is then compared with a pre-existing time-domain reference model. Analysis is done on the accuracy of the correlation results, as well as on the performance and area of the design. The actual presented implementation is sub-optimal and doesn't quite achieve the performance of the reference model with the target clock frequency. Still, the collected results prove the potential speed improvement over the time-domain approach, especially on the higher code lengths. On the other hand, this performance comes with a price since the memory requirements make the FFT-based design larger than the time-domain version. Depending on the use case, the FFT-based correlator is proved to be an approach worthy of consideration.

Uudet satelliittipaikannusjärjestelmät aiheuttavat uusia haasteita vastaanottimille. Yksi näistä on seurausta satelliittien lähettämissä signaaleissa olevien koodisarjojen pituuksien kasvusta. Näitä koodeja käytetään satelliittien etsimisessä ja niiden avulla lasketaan korrelaatiota vastaanotettujen signaalien ja tunnettujen koodien välillä. Koodien pituuksien kasvu aiheuttaa korrelaation laskentaan käytetyn ajan kasvun. Tyypillisesti korrelaation laskenta on toteutettu aikatasossa, mutta se olisi mahdollista toteuttaa myös taajuustasossa.

Tässä työssä taajuustason korrelaatiota tutkitaan toteuttamalla korrelaattori, joka hyödyntää nopeaa Fourier-muunnosta (FFT) nopeuttamaan muunnosta aika- ja taajuustasojen välillä, mikä mahdollistaa paremman suorituskyvyn verrattuna aikatason korrelaatioon. Työ toteutetaan käyttämällä korkean tason synteesityökaluja, joiden avulla työhön käytetty aika on mahdollista kohdistaa paremmin algoritmipuoleen koodin kirjoittamisen sijasta.

Esiteltyä toteutusta verrataan olemassa olevaan aikatason korrelaattoriin ja analyysi kohdistuu korrelaatiotuloksien tarkkuuteen sekä toteutuksen nopeuteen ja kokoon. Tulokset paljastavat että työssä toteutettu korrelaattori jää suorituskyvyssä jälkeen referenssitoteutuksesta tavoitellulla kellotaajuudella, mutta FFT-pohjaisella korrelaatiolla on kuitenkin mahdollista toteuttaa nopeampi korrelaattori. Tämä suorituskyky korostuu erityisesti pitkillä koodinpituuksilla. Nopea toteutus kuitenkin tuo mukanaan suuremman pinta-alan sillä FFT-pohjainen lähestymistapa edellyttää suhteellisen suuria muistielementtejä. Tästä huolimatta FFT-pohjainen korrelaattori on varteenotettava vaihtoehto tietyissä käyttökohteissa.