全球定位系統(tǒng)信號接收機射頻模塊的設(shè)計

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

1 引言  

    典型的GPS接收機主要由4部分組成：天線、射頻前端、相關(guān)器和導航解算部分。其中，天線主要負責信號的接收；射頻前端負責信號的下變頻，在當前的數(shù)字化接收機中還包括A/D轉(zhuǎn)換，它是所有后端處理的基礎(chǔ)，其信號的品質(zhì)直接影響接收機的性能，相關(guān)器主要負責信號跟蹤與鎖定的硬件部分，包括各種原始數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的輸出，并傳輸給微處理器；導航解算部分主要負責信號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頻段信號到兩位數(shù)字信號的模塊。其中，中頻濾波在片外，分別由一個157.42MHz濾波器和一個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)生一個本地的振蕩頻率來提供給混頻器，它的參考信號是來自溫度補償晶振（TCXO）的10.000MHz。  

      Dynex DW9255是聲表面波帶通濾波器，用它對GPS信號擴頻信號的窄帶寬進行濾波，在使用之前應(yīng)該預先調(diào)到GPS二級中頻的準確頻段35.42MHz和1.9MHz的帶寬。濾波器通帶的弱衰減性和阻帶的強衰減性有助于改進GP2015的抗干擾性。 

      GP4020是完整的基于GPS接收機的數(shù)字基帶處理器，它由一個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個獨立通道的跟蹤模塊，每個模塊包含所有的跟蹤和鎖定GPS信號的模塊，不是每個通道都必須在跟蹤的時候激活，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。  

      在整個設(shè)計過程中，射頻部分的設(shè)計是基礎(chǔ)，它的良好實現(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GP2015的設(shè)計，討論GPS接收機射頻模塊的實現(xiàn)過程。 

3 GP2015射頻模塊的設(shè)計  

      本設(shè)計選用的GP2015有48個引腳，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 高頻信號在電路板中的走線設(shè)計  

      高頻信號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體傳輸帶，絕緣基將傳輸帶與地分割開來，因為微波傳輸帶周圍的絕緣基都是一個不連續(xù)的空氣和絕緣基的混合體，所以信號的傳輸都受邊緣區(qū)域的影響，微波傳輸帶特征阻抗的計算是很復雜的，但是能夠通過一定的條件來簡化。  

      在GPS接收機的設(shè)計中，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層信號連接層中，第2層和第3層都在內(nèi)部實現(xiàn)，為了保持每層都占有相同的空間，將絕緣基設(shè)計為兩塊（0.5mm厚），一塊對0.45mm厚（位于中間）。根據(jù)微波傳輸?shù)挠嬎愎?，微波帶大概?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，則整個微波傳輸帶的寬度可能需要重新計算和設(shè)計。 

3.2 晶體振蕩器匹配電路的設(shè)計  

      整個設(shè)計中的，所有的參考信號都由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，在整個接收機中如果沒有溫度補償晶振的穩(wěn)定性就不足以保證信號的跟蹤和鎖定?；谶@樣的原因，接收機采用10.000MHz的TCXO。具體電路設(shè)計如圖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很大。  

3.3 第一級中頻濾波器的設(shè)計  

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

      一級中頻濾波器還用于濾除到達二級混頻輸入的干擾信號，GP2015的第一級混頻輸入需要DC偏移來實現(xiàn)最大的中頻信號處理空間。通常第一級中頻濾波應(yīng)該包含一個DC連接，它通過1只上拉電感器來實現(xiàn)，同時從第一級到第二級的信號路徑應(yīng)該有交流去耦。在設(shè)計中采用了兩個帶有諧振器的耦合可調(diào)的IC濾波器，整個電路設(shè)計如圖2所示。

3.4 第二級中頻濾波器的設(shè)計  

      第二級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。連接在二級混頻的輸出和三級混頻的輸入之間。該濾波器的帶寬應(yīng)該達到2MHz，同時對帶外信號應(yīng)該至少有20dB的衰減，所以它的響應(yīng)曲線應(yīng)該是一個brick－wall形狀的曲線。在這一級的濾波器設(shè)計中，選用Dynex公司的DW9255來實現(xiàn)濾波。它可提供中心頻率在35.42MHz的1.9MHz帶寬，同時衰減只有1dB。帶外信號的濾除在＋2.0MHz達到21dB。  

      第三級混頻后的濾波在片內(nèi)完成，在此不作詳細介紹。