基于GP2010的移動(dòng)GPS射頻前端設計

摘要：對GPS射頻前端進(jìn)行了研究與設計，實(shí)現了GPS信號射頻到數字中頻的轉化過(guò)程。應用GP2010芯片設計出了符合要求的GPS射頻前端，包括前端濾波器、低噪聲放大器，以及中頻濾波器。介紹測試系統的搭建，對實(shí)際制作的電路板進(jìn)行調試，并得出測試結果，為后期基于FPGA實(shí)現GPS基帶數字信號處理提供GPS數字中頻信號，為自主設計GPS接收機奠定了基礎。
關(guān)鍵詞：GPS接收機；射頻前端；GP2010；低噪聲放大器

0 引言
GPS(Global Positioning System，全球定位系統)是由美國國防部于1973年提出，歷時(shí)20年建立起來(lái)的新一代精密衛星導航定位系統。 GPS作為一種全球性、全天候的連續、實(shí)時(shí)定位系統，具有在海陸空進(jìn)行全方位、實(shí)時(shí)、三維導航與定位的能力，能為用戶(hù)提供連續、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、速度和時(shí)間基準。
目前，我國正在實(shí)施北斗衛星導航系統(Bei Dou (COMPASS)Navigation Satel-lite System)建設工作，規劃相繼發(fā)射5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星，建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統。按照建設規劃，在2012年前后，北斗衛星導航系統將首先提供覆蓋亞太地區的導航、授時(shí)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星導航系統。長(cháng)期以來(lái)，我國GPS接收機以國外引進(jìn)為主，大多數接收機還都是基于國外的GPS專(zhuān)用處理芯片，不僅價(jià)格昂貴，而且性能上受到國外技術(shù)限制，無(wú)法滿(mǎn)足軍事等領(lǐng)域的要求。由此可見(jiàn)，開(kāi)發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的GPS數字接收機具有戰略意義，自主開(kāi)發(fā)GPS接收機不僅可以突破國外的技術(shù)限制，使GPS接收機適用于高動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)性要求較高的環(huán)境中，而且可以為開(kāi)發(fā)“北斗”導航定位接收機，促進(jìn)“北斗”導航定位系統的發(fā)展提供技術(shù)支持和積累寶貴經(jīng)驗。本文主要介紹以GP2010為核心的GPS前端系統的設計。

1 移動(dòng)GPS前端整體設計
該設計是圍繞Zarlink公司的專(zhuān)用芯片GP2010進(jìn)行的，天線(xiàn)接收到GPS衛星發(fā)射的L1頻段載波信號，首先經(jīng)過(guò)無(wú)源帶通濾波器和低噪聲放大器后，進(jìn)入GP2010芯片。通過(guò)三級下變頻，經(jīng)過(guò)放大、濾波等調整后將射頻信號轉換為中頻信號，然后由兩比特模數采樣器轉換為數字信號，以便后續基帶電路進(jìn)行相關(guān)處理。
1．1 前端射頻信號處理模塊GP2010
GP2010是Zarlink半導體公司生產(chǎn)的GPS接收機射頻前端專(zhuān)用芯片，提供了一個(gè)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TQFP44封裝，工作電源為3～5 V，功耗200 mW(3 V電壓)。天線(xiàn)接收到的衛星L1頻段導航定位信號，經(jīng)過(guò)無(wú)源濾波器、低噪聲放大器以及阻抗匹配的微帶線(xiàn)路輸入到GP2010，完成1．2節中設計的下變頻方案，從而實(shí)現射頻信號到數字中頻信號的轉換。
GP2010包括片上頻率合成器、分頻器、混頻器、自動(dòng)增益控制器(AGC)和一個(gè)提供符號與量級數字輸出的量化器。利用該專(zhuān)用芯片僅需少量的外圍電路及少許電子元件，即可構成一個(gè)完整的GPS接收機射頻前端電路。該專(zhuān)用芯片可與zarlink公司生產(chǎn)的12通道數字相關(guān)器GP2021相關(guān)器或GP4020基帶處理器配套使用，組成一個(gè)完整的GPS接收機硬件平臺。該專(zhuān)用芯片雖然可完成頻率合成、混頻、濾波以及模數轉換等主要功能，但基準時(shí)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，必須自行設計。第三級中頻濾波器為片上濾波器，濾波在片內完成，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計
GP2010進(jìn)行三級下變頻時(shí)，本振信號混頻會(huì )同時(shí)產(chǎn)生衛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(lái)的信號，利用三級優(yōu)化濾波來(lái)提高接收機抗干擾能力。GP2010的第一級下變頻將衛星導航定位信號由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，達到對一級中頻進(jìn)入二級混頻時(shí)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。當然這些都能通過(guò)RF濾波器來(lái)進(jìn)行消除，但根據Zarlink半導體公司生產(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(lái)實(shí)現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(gè)DC連接，它通過(guò)1只上拉電感器來(lái)實(shí)現。同時(shí)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，在設計中交流去耦電路采用了兩個(gè)帶有諧振器的耦合可調的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。