全球定位系統信號接收機射頻模塊的設計

1 引言 

典型的GPS接收機主要由4部分組成：天線(xiàn)、射頻前端、相關(guān)器和導航解算部分。其中，天線(xiàn)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(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，包括各種原始數據和測量數據的輸出，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、數據的解調、偽距的提取以及導航數據的解算，它的處理基礎是相關(guān)器，所有的原始數據來(lái)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(xiàn)接收的L1頻段信號到兩位數字信號的模塊。其中，中頻濾波在片外，分別由一個(gè)157.42MHz濾波器和一個(gè)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(gè)本地的振蕩頻率來(lái)提供給混頻器，它的參考信號是來(lái)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(jìn)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(jìn)GP2015的抗干擾性。

GP4020是完整的基于GPS接收機的數字基帶處理器，它由一個(gè)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(gè)獨立通道的跟蹤模塊，每個(gè)模塊包含所有的跟蹤和鎖定GPS信號的模塊，不是每個(gè)通道都必須在跟蹤的時(shí)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(chóng)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(mén)狗的功能。 

在整個(gè)設計過(guò)程中，射頻部分的設計是基礎，它的良好實(shí)現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(shí)現過(guò)程。

3 GP2015射頻模塊的設計 

本設計選用的GP2015有48個(gè)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(xiàn)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(kāi)來(lái)，因為微波傳輸帶周?chē)慕^緣基都是一個(gè)不連續的空氣和絕緣基的混合體，所以信號的傳輸都受邊緣區域的影響，微波傳輸帶特征阻抗的計算是很復雜的，但是能夠通過(guò)一定的條件來(lái)簡(jiǎn)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(xiàn)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(shí)現，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）。根據微波傳輸的計算公式，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不一樣，則整個(gè)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(gè)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(chǎn)生10.000MHz的信號，在整個(gè)接收機中如果沒(méi)有溫度補償晶振的穩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(guò)5mA，否則51Ω電阻器上的壓降就會(huì )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(jìn)行濾波，由于沒(méi)有專(zhuān)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(guò)RF濾波器來(lái)進(jìn)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(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)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(gè)帶有諧振器的耦合可調的IC濾波器，整個(gè)電路設計如圖2所示。