基于單芯片的GPS接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)

引言

GPS(全球定位系統(tǒng))發(fā)展到今天，其用途越來越廣泛，而技術(shù)的進(jìn)步和用戶需求也不斷推動(dòng)GPS系統(tǒng)的增強(qiáng)。目前美國正在致力于GPS Block II系統(tǒng)的現(xiàn)代化和“GPS - III”計(jì)劃，旨在全面改善GPS的生命力、精度、可用性、完好性、靈活性和安全性。

GPS用戶端設(shè)備也處于不斷升級和發(fā)展之中。從接收機(jī)的結(jié)構(gòu)來看，隨著VLSI(超大規(guī)模集成電路)和DSP技術(shù)的發(fā)展,單通道序貫式、時(shí)分多路復(fù)用式接收機(jī)早已被采用DSP模塊的并行多通道接收機(jī)所代替，所能達(dá)到的通道數(shù)和等效相關(guān)器數(shù)不斷增加，集成度更高的內(nèi)嵌MPU/ MCU的GPS基帶處理器芯片成為主流，將射頻和數(shù)字處理集成在一起的單芯片接收機(jī)產(chǎn)品也已經(jīng)問世。

本文介紹了一種單芯片GPS接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)。該方案采用Hammerhead芯片,該芯片集射頻與基帶GPS功能于一身，具有低功耗、高性能、尺寸小的特點(diǎn)。

Hammerhead

Hammerhead是一款由英飛凌科技公司和Global Locate公司合作開發(fā)的高集成度單片GPS接收機(jī)IC，片內(nèi)集成了低噪聲放大器、混頻器、自動(dòng)增益控制器、A/D、線性穩(wěn)壓器、鎖相環(huán)、數(shù)字基帶。由于它的超大規(guī)模集成度，Hammerhead片外只需很少的元件即可構(gòu)成一個(gè)GPS接收機(jī)，大大降低了元件成本以及PCB面積。 Hammerhead使用大規(guī)模并行關(guān)聯(lián)技術(shù)來接收衛(wèi)星以八個(gè)并行信道發(fā)射的信號，并將它們同32,000多個(gè)相關(guān)器中的參考碼進(jìn)行比較。與車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中常用的接收器相比，該技術(shù)可以大幅縮短首次定位時(shí)間，并可以顯著減少功耗。Hammerhead具有靈活結(jié)構(gòu)的PLL，巧妙地使用了目前手機(jī)設(shè)計(jì)中采用的功能單元，如用于高精度參考時(shí)鐘頻率(10~40MHz)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘頻率(32,768kHz)的晶振，支持在3G、GSM、CDMA電話中應(yīng)用。片上的LNA允許連接無源的或者有源的天線到Hammerhead。標(biāo)準(zhǔn)的UART端口、SPI和I2C接口，使其可以與任何一種目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行連接。
Hammerhead提供6種功耗模式，1分鐘只定位1次的情況下功耗可低至0.3mW。另外，除了具有傳統(tǒng)的GPS定位功能外，Hammerhead還支持A-GPS，LTO等工作模式，在室內(nèi)、野外等GPS衛(wèi)星信號極弱或者無法收到GPS信號的情況下也能定位。

GPS接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)

射頻前端

圖1和圖2分別是使用無源天線和有源天線時(shí)射頻前端的電路圖。

當(dāng)使用低增益(10～15dB)的無源天線時(shí)，接收到的GPS信號需要經(jīng)過濾波后送給Hammerhead的LNA，Global Locate推薦使用Epcos公司的B9000 SAW濾波器。在LNA的輸入和輸出引腳需要匹配網(wǎng)絡(luò)，匹配阻抗為50Ω。同樣，LNA的輸出在送給混頻器之前也需要使用濾波器來抑制帶外信號，Global Locate推薦使用Epcos公司的B7840 SAW濾波器，經(jīng)該濾波器輸出的平衡差分信號對可以直接送給Hammerhead的混頻器差分輸入引腳。

如果使用高增益(25～30dB)的有源天線，無需使用內(nèi)部LNA，直接將接收到的GPS信號經(jīng)過B7840濾波后送給混頻器即可。因?yàn)樾枰o天線供電，因此在天線電源處采用了LC濾波(L1,C2)用來濾除由電源進(jìn)入的高頻噪聲。C3用來隔直，防止直流偏置進(jìn)入混頻器。另外要注意增加合適的衰減器，防止混頻器過載。假設(shè)混頻器輸入信號最高增益為18dB，天線接收器增益為28dB，天線線纜衰減1.4 dB/m，長度為3m，可以增加一個(gè)T型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，其衰減系數(shù)＝28－18－3×1.4≈5dB。

參考時(shí)鐘

Hammerhead用到了兩種時(shí)鐘。一種是參考時(shí)鐘，范圍10～40MHz，可來自于外部系統(tǒng)的時(shí)鐘輸入，也可由一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘IC產(chǎn)生。因?yàn)樵摃r(shí)鐘提供給芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)、射頻模塊、數(shù)字基帶以及相關(guān)器等模塊，要求其時(shí)鐘偏移在2.5ppm以內(nèi)，如果偏移太大，就不足以保證信號的跟蹤和鎖定?；谶@樣的原因，推薦使用26MHz的TCXO，具體電路如圖3所示。

其中L1的作用是濾除電源噪聲對TCXO輸出信號的影響。

另一種時(shí)鐘是RTCCLK，用于低功耗模式下將Hammerhead喚醒。該時(shí)鐘大小要求為32.768KHz，可以用普通的有源晶振或者片外系統(tǒng)時(shí)鐘源產(chǎn)生。

電源設(shè)計(jì)

Hammerhead一共需要核心電壓(1.5V)、射頻電壓(1.8V)以及邏輯電壓(2.5V/2.8V/3.3V)三路電源，在芯片內(nèi)部均有對應(yīng)的線性穩(wěn)壓器，可簡化電源設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，可根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的電源使用情況、功耗要求以及Hammerhead的功率耗散來決定是否使用內(nèi)部線性穩(wěn)壓源以及使用多大的邏輯電平。另外要注意的幾點(diǎn)問題是：

*每個(gè)電源輸入引腳必須至少有一個(gè)0.1mF陶瓷濾波電容；
*核心電壓工作時(shí)需要較大的瞬態(tài)電流，在該電源網(wǎng)絡(luò)上添加一個(gè)10mF的電容到地，以提供更好的電源響應(yīng)；
*注意區(qū)分模擬、數(shù)字電源，用磁珠對模擬、數(shù)字電源進(jìn)行隔離。尤其是射頻部分對電源噪聲極其敏感，必要的情況下，可以單獨(dú)使用一個(gè)輸出1.8V的LDO給RF供電。

數(shù)字I/O

Hammerhead擁有三種串行接口：標(biāo)準(zhǔn)UART端口、I2C端口以及SPI端口。其中I2C 以及SPI端口的引腳與UART引腳復(fù)用，可以通過設(shè)置Hammerhead的OMS[2:0]三個(gè)引腳的邏輯電平狀態(tài)來選擇使用哪一種接口。

PCB設(shè)計(jì)

由于含有射頻信號，GPS接收機(jī)的PCB設(shè)計(jì)相對中低頻信號的PCB板來說要困難得多，因此需要注意以下事項(xiàng)：

*射頻信號走線盡量短、直，在同一層走線，不能走直角；盡可能的用鋪地銅皮將射頻信號隔離，防止其他信號與其之間產(chǎn)生串?dāng)_；平衡差分信號的路徑要保持平行，并且長度相仿，這樣可以加強(qiáng)二者之間的耦合而減弱與其他線之間的耦合。

*26MHz參考時(shí)鐘信號的穩(wěn)定性直接決定了GPS接收機(jī)的性能。布線時(shí)該信號要遠(yuǎn)離以下信號：32.768KHz時(shí)鐘、數(shù)字信號、射頻信號；用鋪地銅皮將其包圍可以起到很好的隔離效果，允許的話可以在地層走線；PLL的匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量靠近與其相連的引腳放置。

*濾波電容應(yīng)該盡量靠近相應(yīng)的電源引腳放置；為了保證電源層的穩(wěn)定，應(yīng)盡量增大電源的鋪銅面積，減小鋪銅間距是一種有效的方法；使用盡可能多的接地過孔將頂層與底層的接地銅皮與電源分割層地層銅皮相連，可以保證地層銅皮足夠平穩(wěn)，起到更好的隔離效果；模擬電源與數(shù)字電源要隔離，在兩者搭接處加入磁珠，防止互相干擾，連接電源和地的導(dǎo)線應(yīng)盡量粗一些。

*有資料表明，GPRS、CDMA等無線通信模塊的射頻信號以及LCD的第143次諧波都會對GPS接收機(jī)的工作產(chǎn)生影響，這些信號被稱為基帶噪聲。消除這些噪聲影響的最簡便方法，是使用一個(gè)金屬罩將射頻電路以及Hammerhead芯片屏蔽起來；另外，在TCXO外安裝一個(gè)屏蔽罩，可防止因氣流流動(dòng)引起的溫度驟然變化而導(dǎo)致的TCXO輸出頻率偏移。

結(jié)語

基于Hammerhead的GPS接收機(jī)具有低成本、低功耗、性能優(yōu)越的特點(diǎn)。高集成度使安裝在芯片以外的接收機(jī)部件極少,節(jié)約了相當(dāng)大的印制板空間,降低了組件成本。加入內(nèi)部LNA和PLL既降低了成本,又減少了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。通過軟件可以選擇使用有源或者無源天線，還可以設(shè)置芯片工作在GPS、A-GPS、LTO等模式，非常適合在手機(jī)、PDA、便攜式設(shè)備等嵌入式領(lǐng)域中使用。目前，我們已經(jīng)在一款野外勘探手持機(jī)中使用Hammerhead實(shí)現(xiàn)了GPS定位功能，其電路在PCB中的面積為25mm×20mm；功耗小于0.1W；冷啟動(dòng)時(shí)首次定位時(shí)間小于60s，熱啟動(dòng)時(shí)小于10s；定位精度5m。