基于A(yíng)RM核的GPS接收機的設計與實(shí)現

0 引言

全球定位系統(GPS)作為一種成熟的導航定位技術(shù),以其全天候、高精度、自動(dòng)化、高效率等顯著(zhù)特點(diǎn)及所獨具的定位導航、授時(shí)授頻、精密測量等多方面的強大功能，使其用途越來(lái)越廣泛。傳統的使用8位單片機設計的GPS接收機，在數據處理、系統性能提升以及功能擴展等方面存在較大的不足。隨著(zhù)嵌入式技術(shù)的發(fā)展，以ARM為代表的32位微處理器憑借其高性能、低功耗、低成本、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在現實(shí)中獲得了廣泛的應用。

本文介紹了一種GPS接收機的整體設計方案,該方案采用Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600和ATR0620芯片。其中ATR0600芯片作為接收機的射頻前端，內嵌ARM7TDMI處理器核的ATR0620芯片作為接收機的數字基帶處理器。該方案具有低功耗、高性能、尺寸小、成本低的特點(diǎn)。

1 GPS接收機的基本組成

GPS接收機的主要任務(wù)是跟蹤可見(jiàn)GPS衛星，對接收到的衛星無(wú)線(xiàn)電信號經(jīng)過(guò)數據處理后獲得定位所需的測量值和導航信息，最后完成對用戶(hù)的定位運算和可能的導航任務(wù)。GPS接收機的內部結構沿其工作流程的先后順序，通常分為射頻（RF）前端處理、基帶數字信號處理（DSP）和定位導航運算三大功能模塊。其基本組成如圖1所示：

2 GPS接收機的硬件設計

衛星信號由天線(xiàn)接收,直接進(jìn)入射頻前端。射頻前端具有變頻作用，將射頻信號轉換為中頻信號。中頻信號經(jīng)采樣信號采樣、量化后，轉換為數字中頻信號。數字中頻信號進(jìn)入基帶數字處理器，基帶數字處理器完成衛星信號的處理后，解調出導航電文，進(jìn)行相應的處理后給出所需的定位信息或提供特定的應用服務(wù)。

2.1 接收天線(xiàn)

接收天線(xiàn)是GPS接收機處理衛星信號的首個(gè)器件,它將接收到的GPS衛星所發(fā)射的電磁波信號轉變成電壓或電流信號,以供接收機射頻前端攝取與處理。因為GPS接收機賴(lài)以定位的信息基本上全部來(lái)自于天線(xiàn)接收到的GPS衛星信號，所以接收天線(xiàn)的性能直接影響著(zhù)整個(gè)接收機的定位性能，它對接收機所起的作用與貢獻絕對不容忽視。

對GPS接收機天線(xiàn)的主要技術(shù)要求是：接收頻率為1575.42MHz的L1信號；為了與接收到的GPS衛星信號的極化方式相匹配，從而提高接收效率，接收天線(xiàn)以右旋圓極化的方式工作；強度微弱的GPS衛星信號應當盡可能地先在緊靠天線(xiàn)的一端得到功率放大，以改善整個(gè)接收系統的噪聲性能，接收機采用內置低噪聲放大器（LAN）的有源天線(xiàn)；電線(xiàn)饋線(xiàn)的阻抗為50 。綜上所述，本文采用靈敏度高的豎直形狀的四螺旋天線(xiàn)，且在工作時(shí)將天線(xiàn)采用外置的形式。

2.2 基于A(yíng)TR0600的射頻前端電路設計

射頻(RF)前端模塊位于接收機天線(xiàn)與基帶數字信號處理模塊之間,它通過(guò)天線(xiàn)接收所有可見(jiàn)GPS衛星信號,經(jīng)前置濾波器和前置放大器的濾波放大后,再與本機振蕩器產(chǎn)生的正弦波本振信號進(jìn)行混頻而下變頻成中頻(IF)信號,最后經(jīng)模數(A/D)轉換器將中頻信號離散成包含GPS信號成分的、頻率較低的數字中頻信號，并在此過(guò)程中進(jìn)行必要的濾波和增益控制。
本設計中射頻前端主要由Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600芯片及外圍濾波電路構成，它是一個(gè)GPS接收機射頻前端IC芯片，采用單IF結構，芯片上包含有混頻器、IF放大器、2bit的模數轉換器（ADC）、晶體振蕩器等電路，芯片具有極高的集成度，很小的功耗（約50w）。

ATR0600通過(guò)外部的天線(xiàn)接收1575.42MHz的L1 GPS信號，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器LNA進(jìn)行第1級濾波、放大后，被外部SAW濾波器進(jìn)行鏡像抑制和對1800MHz GSM頻帶信號進(jìn)行隔離。該信號與基準頻率為23.104 MHz的本振信號進(jìn)行混頻,混頻器將GPS信號下變頻到97.76MHz中頻?；祛l后，該信號經(jīng)過(guò)LC帶通濾波器和可變益放大器（VGA），與片上集成的中頻帶通濾波器組合，完成對GSM干擾信號的濾波。VGA輸出驅動(dòng)集成的1.5bitA/D轉換器，將中頻信號轉化成4.35MHz的數字中頻信號。