全球定位系統(tǒng)信號(hào)接收機(jī)射頻模塊的設(shè)計(jì)

摘要：主要以研究GPS接收機(jī)為目的，以Zarlink公司的GP2015型電路為核心進(jìn)行GPS射頻前端設(shè)計(jì)，其中主要包括二級(jí)濾波器和晶體振蕩器等外圍電路的設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵是計(jì)算濾波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以匹配帶寬要求及整個(gè)電路的布局。對(duì)后端的相關(guān)和定位解算進(jìn)行了相應(yīng)的介紹，整個(gè)模塊在GPS接收機(jī)中相對(duì)獨(dú)立，可以作為獨(dú)立的部分來設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng)；GPS接收機(jī)；射頻；GP2015；設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TN927+，21  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：1006-6977（2006）01-0025-03

1 引言  

    典型的GPS接收機(jī)主要由4部分組成：天線、射頻前端、相關(guān)器和導(dǎo)航解算部分。其中，天線主要負(fù)責(zé)信號(hào)的接收；射頻前端負(fù)責(zé)信號(hào)的下變頻，在當(dāng)前的數(shù)字化接收機(jī)中還包括A/D轉(zhuǎn)換，它是所有后端處理的基礎(chǔ)，其信號(hào)的品質(zhì)直接影響接收機(jī)的性能，相關(guān)器主要負(fù)責(zé)信號(hào)跟蹤與鎖定的硬件部分，包括各種原始數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)的輸出，并傳輸給微處理器；導(dǎo)航解算部分主要負(fù)責(zé)信號(hào)的跟蹤和鎖定的軟件部分、數(shù)據(jù)的解調(diào)、偽距的提取以及導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解算，它的處理基礎(chǔ)是相關(guān)器，所有的原始數(shù)據(jù)來自相關(guān)器。  

2 GP2015及其外圍電路  

     GP2015是Zarlink半導(dǎo)體公司的超小型射頻前端器件，它包含除中頻濾波器外的所有從天線接收的L1頻段信號(hào)到兩位數(shù)字信號(hào)的模塊。其中，中頻濾波在片外，分別由一個(gè)157.42MHz濾波器和一個(gè)35.42MHz聲表面濾波器組成，包含在VCO（壓控振蕩器）中的片上PLL用于產(chǎn)生一個(gè)本地的振蕩頻率來提供給混頻器，它的參考信號(hào)是來自溫度補(bǔ)償晶振（TCXO）的10.000MHz。  

      Dynex DW9255是聲表面波帶通濾波器，用它對(duì)GPS信號(hào)擴(kuò)頻信號(hào)的窄帶寬進(jìn)行濾波，在使用之前應(yīng)該預(yù)先調(diào)到GPS二級(jí)中頻的準(zhǔn)確頻段35.42MHz和1.9MHz的帶寬。濾波器通帶的弱衰減性和阻帶的強(qiáng)衰減性有助于改進(jìn)GP2015的抗干擾性。 

      GP4020是完整的基于GPS接收機(jī)的數(shù)字基帶處理器，它由一個(gè)12通道的相關(guān)器和帶ARM7TDMI核的微處理器組成。其中，相關(guān)器包含12個(gè)獨(dú)立通道的跟蹤模塊，每個(gè)模塊包含所有的跟蹤和鎖定GPS信號(hào)的模塊，不是每個(gè)通道都必須在跟蹤的時(shí)候激活，這樣可以減少電源的消耗，微處理器部分包含螢火蟲MF1微控制器。它采用了ARM7TDMI核，帶有THUMB的指令集，還包含UART串行接口、通用I/O和看門狗的功能。  

      在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，射頻部分的設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，它的良好實(shí)現(xiàn)才能保證以后部分的正確定位信息的輸出。文中主要針對(duì)GP2015的設(shè)計(jì)，討論GPS接收機(jī)射頻模塊的實(shí)現(xiàn)過程。 

3 GP2015射頻模塊的設(shè)計(jì)  

      本設(shè)計(jì)選用的GP2015有48個(gè)引腳，采用TQFP封裝，工作電壓是3V至5V，在3V的工作電壓下，功耗只有200mW，帶有片上鎖相環(huán)。該電路完成下變頻和A/D轉(zhuǎn)換的功能。在該模塊的設(shè)計(jì)中，除了電路本身完成的功能外，還需在中頻變換中加入濾波器。  

3.1 高頻信號(hào)在電路板中的走線設(shè)計(jì)  

      高頻信號(hào)在電路板上的布局一般采用微波傳輸帶的方法，就是在一定寬度和厚度的絕緣基上的一條導(dǎo)體傳輸帶，絕緣基將傳輸帶與地分割開來，因?yàn)槲⒉▊鬏攷е車慕^緣基都是一個(gè)不連續(xù)的空氣和絕緣基的混合體，所以信號(hào)的傳輸都受邊緣區(qū)域的影響，微波傳輸帶特征阻抗的計(jì)算是很復(fù)雜的，但是能夠通過一定的條件來簡(jiǎn)化。  

      在GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)中，電路板是4層，厚度為1.6mm，其中接地層在第2層。除每層35μm的銅線外，絕緣基大概有1.45mm厚，在4層信號(hào)連接層中，第2層和第3層都在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，為了保持每層都占有相同的空間，將絕緣基設(shè)計(jì)為兩塊（0.5mm厚），一塊對(duì)0.45mm厚（位于中間）。根據(jù)微波傳輸?shù)挠?jì)算公式，微波帶大概應(yīng)該有 0.8mm的寬度，50Ω的特征阻抗。 

      如果布局不一樣或者電路板的層數(shù)不一樣，則整個(gè)微波傳輸帶的寬度可能需要重新計(jì)算和設(shè)計(jì)。 

3.2 晶體振蕩器匹配電路的設(shè)計(jì)  

      整個(gè)設(shè)計(jì)中的，所有的參考信號(hào)都由TCXO輸入，GP2015中的振蕩電路與外部晶體振蕩器連接后產(chǎn)生10.000MHz的信號(hào)，在整個(gè)接收機(jī)中如果沒有溫度補(bǔ)償晶振的穩(wěn)定性就不足以保證信號(hào)的跟蹤和鎖定?；谶@樣的原因，接收機(jī)采用10.000MHz的TCXO。具體電路設(shè)計(jì)如圖1所示。  

    如圖1所示，在電源和VCC端串接了一只51Ω的電阻器，并在VCC和GND之間并接了1對(duì)電容，其TCXO的電流消耗不能超過5mA，否則51Ω電阻器上的壓降就會(huì)很大。  

3.3 第一級(jí)中頻濾波器的設(shè)計(jì)  

      GP2105的第一次下變頻至175.42MHz，在片外進(jìn)行濾波，由于沒有專用濾波器，所以第一級(jí)濾波器必須自行設(shè)計(jì)。濾波器放置在一級(jí)變頻的輸出端和二級(jí)變頻的輸入端。它要濾除二級(jí)中頻的鏡頻干擾及有射頻的鏡頻干擾，當(dāng)然這些都能通過RF濾波器來進(jìn)行消除。但是仍然推薦使用第一級(jí)的中頻濾波器。  

      一級(jí)中頻濾波器還用于濾除到達(dá)二級(jí)混頻輸入的干擾信號(hào)，GP2015的第一級(jí)混頻輸入需要DC偏移來實(shí)現(xiàn)最大的中頻信號(hào)處理空間。通常第一級(jí)中頻濾波應(yīng)該包含一個(gè)DC連接，它通過1只上拉電感器來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)從第一級(jí)到第二級(jí)的信號(hào)路徑應(yīng)該有交流去耦。在設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)帶有諧振器的耦合可調(diào)的IC濾波器，整個(gè)電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.4 第二級(jí)中頻濾波器的設(shè)計(jì)  

      第二級(jí)中頻濾波器的中心頻率為35.42MHz，帶寬約為＋1.0MHz，插入損耗為14dB－18dB，衰減系數(shù)大于10dB。連接在二級(jí)混頻的輸出和三級(jí)混頻的輸入之間。該濾波器的帶寬應(yīng)該達(dá)到2MHz，同時(shí)對(duì)帶外信號(hào)應(yīng)該至少有20dB的衰減，所以它的響應(yīng)曲線應(yīng)該是一個(gè)brick－wall形狀的曲線。在這一級(jí)的濾波器設(shè)計(jì)中，選用Dynex公司的DW9255來實(shí)現(xiàn)濾波。它可提供中心頻率在35.42MHz的1.9MHz帶寬，同時(shí)衰減只有1dB。帶外信號(hào)的濾除在＋2.0MHz達(dá)到21dB。  

      第三級(jí)混頻后的濾波在片內(nèi)完成，在此不作詳細(xì)介紹。