基于GP2010的移動GPS前端系統(tǒng)的設(shè)計

GPS( Global Posit ioning System，全球定位系統(tǒng))是由美國國防部于1973 年提出，歷時20 年建立起來的新一代精密衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GPS 作為一種全球性、全天候的連續(xù)、實(shí)時定位系統(tǒng)，具有在海陸空進(jìn)行全方位、實(shí)時、三維導(dǎo)航與定位的能力，能為用戶提供連續(xù)、實(shí)時、高精度的三維位置、速度和時間基準(zhǔn)。

目前，我國正在實(shí)施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)( Bei Dou( COMPA SS) Navigat io n Satel lite System) 建設(shè)工作,規(guī)劃相繼發(fā)射5 顆靜止軌道衛(wèi)星和30 顆非靜止軌道衛(wèi)星，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。按照建設(shè)規(guī)劃，在2012 年前后，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將首先提供覆蓋亞太地區(qū)的導(dǎo)航、授時和短報文通信服務(wù)能力。在2020 年前后，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

長期以來，我國GPS 接收機(jī)以國外引進(jìn)為主，大多數(shù)接收機(jī)還都是基于國外的GPS 專用處理芯片，不僅價格昂貴，而且性能上受到國外技術(shù)限制，無法滿足軍事等領(lǐng)域的要求。由此可見，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的GPS 數(shù)字接收機(jī)具有戰(zhàn)略意義，自主開發(fā)GPS 接收機(jī)不僅可以突破國外的技術(shù)限制，使GPS 接收機(jī)適用于高動態(tài)、實(shí)時性要求較高的環(huán)境中，而且可以為開發(fā)! 北斗?導(dǎo)航定位接收機(jī)，促進(jìn)“ 北斗” 導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展提供技術(shù)支持和積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。本文主要介紹以GP2010 為核心的GPS 前端系統(tǒng)的設(shè)計。

1 ? 移動GPS前端整體設(shè)計

該設(shè)計是圍繞Zarlink 公司的專用芯片GP2010 進(jìn)行的，天線接收到GPS 衛(wèi)星發(fā)射的L1 頻段載波信號，首先經(jīng)過無源帶通濾波器和低噪聲放大器后，進(jìn)入GP2010芯片。通過三級下變頻，經(jīng)過放大、濾波等調(diào)整后將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，然后由兩比特模數(shù)采樣器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便后續(xù)基帶電路進(jìn)行相關(guān)處理。

1. 1?? 前端射頻信號處理模塊GP2010

GP2010 是Zarlink 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的GPS 接收機(jī)射頻前端專用芯片，提供了一個低功率、低成本和高可靠性的GPS 射頻前端解決方案。該芯片采用T QFP44封裝，工作電源為3~ 5 V，功耗200 mW( 3 V 電壓) 。

天線接收到的衛(wèi)星L1 頻段導(dǎo)航定位信號，經(jīng)過無源濾波器、低噪聲放大器以及阻抗匹配的微帶線路輸入到GP2010，完成1. 2 節(jié)中設(shè)計的下變頻方案，從而實(shí)現(xiàn)射頻信號到數(shù)字中頻信號的轉(zhuǎn)換。

GP2010 包括片上頻率合成器、分頻器、混頻器、自動增益控制器( AGC) 和一個提供符號與量級數(shù)字輸出的量化器。利用該專用芯片僅需少量的外圍電路及少許電子元件，即可構(gòu)成一個完整的GPS 接收機(jī)射頻前端電路。該專用芯片可與Zar link 公司生產(chǎn)的12 通道數(shù)字相關(guān)器GP2021 相關(guān)器或GP4020 基帶處理器配套使用，組成一個完整的GPS 接收機(jī)硬件平臺。該專用芯片雖然可完成頻率合成、混頻、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等主要功能，但基準(zhǔn)時鐘的晶體振蕩器匹配電路、第一級中頻濾波電路和第二級中頻濾波電路由片外完成，必須自行設(shè)計。第三級中頻濾波器為片上濾波器,濾波在片內(nèi)完成，其輸出中心頻率為4.309 MHz 的中頻信號。

1. 2?? 第一級中頻濾波電路設(shè)計

GP2010 進(jìn)行三級下變頻時，本振信號混頻會同時產(chǎn)生衛(wèi)星信號的上邊帶和下邊帶，在混頻器之后采用三級中頻帶通濾波器選擇下邊帶，濾去上邊帶和漏進(jìn)來的信號，利用三級優(yōu)化濾波來提高接收機(jī)抗干擾能力。

GP2010 的第一級下變頻將衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號由1 575. 42 MHz下變頻為175. 42 MHz。第一級中頻濾波器放置在一級變頻的輸出端和二級變頻的輸入端，達(dá)到對一級中頻進(jìn)入二級混頻時的干擾信號、二級中頻的鏡頻干擾信號以及射頻的鏡頻干擾進(jìn)行有效濾除。當(dāng)然這些都能通過RF 濾波器來進(jìn)行消除，但根據(jù)Zarlink 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)資料要求，仍然推薦使用第一級的中頻濾波器。GP2010 的第一級混頻輸入需要DC 偏移來實(shí)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(shí)現(xiàn)。同時考慮到從第一級到第二級的信號之間存在交流耦合，因此對路徑進(jìn)行交流去耦，在設(shè)計中交流去耦電路采用了兩個帶有諧振器的耦合可調(diào)的IC 濾波器完成。第一級中頻濾波器的電路原理圖如圖1 所示。

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圖1?? 第一級中頻濾波電路示意圖

1. 3?? 第二級中頻濾波器的設(shè)計

第二級濾波器串接在二級混頻后的中頻輸出與三級混頻的輸入之間，以達(dá)到對二級混頻輸出的中頻信號進(jìn)行濾波，減小對三級混頻的干擾。由二級混頻輸出差頻信號的特點(diǎn)可知，要求該級濾波器的中心頻率應(yīng)為35. 42 MHz，帶寬為±1 MHz。根據(jù)Zar link 半導(dǎo)體公司有關(guān)GP2010 相關(guān)資料要求，該濾波器插入損耗1. 4~ 1. 8 dB 之間，帶寬為2 MHz，同時對帶外信號至少要求20 dB 的衰減。第二級中頻濾波器的電路原理圖如圖2 所示。

圖2?? 第二級中頻濾波器電路示意圖

2?? GPS 射頻前端實(shí)際電路板