| 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轉換,它是所有后端處理的基礎,其信號的品質直接影響接收機的性能,相關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、偽距的提取以及導航數(shù)據(jù)的解算,它的處理基礎是相關器,所有的原始數(shù)據(jù)來自相關器。
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,在使用之前應該預先調到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通道的相關器和帶ARM7TDMI核的微處理器組成。其中,相關器包含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。
在整個設計過程中,射頻部分的設計是基礎,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射頻模塊的設計
本設計選用的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轉換的功能。在該模塊的設計中,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層都在內部實現(xiàn),為了保持每層都占有相同的空間,將絕緣基設計為兩塊（0.5mm厚）,一塊對0.45mm厚（位于中間）。根據(jù)微波傳輸?shù)挠嬎愎?微波帶大概應該有?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計。
3.2 晶體振蕩器匹配電路的設計
整個設計中的,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該有交流去耦。在設計中采用了兩個帶有諧振器的耦合可調的IC濾波器,整個電路設計如圖2所示。  ?
3.4 第二級中頻濾波器的設計
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。該濾波器的帶寬應該達到2MHz,同時對帶外信號應該至少有20dB的衰減,所以它的響應曲線應該是一個brick－wall形狀的曲線。在這一級的濾波器設計中,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完成,在此不作詳細介紹。 |
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