基于A(yíng)RM的GPS接收機的設計

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。

ATR0600的內部結構及其電路應用形式如圖2所示:

2.3 基于A(yíng)TR0620的基帶處理器電路

基帶數字信號處理模塊是GPS接收機的核心部分,它通過(guò)處理射頻前端所輸出的數字中頻信號,復制出與接收到的衛星信號相一致的本地載波和本地偽碼信號,從而實(shí)現對GPS信號的捕獲與跟蹤,并且從中獲得GPS偽距和載波相位等測量值以及解調出導航電文。

基帶數字信號處理模塊通常是硬件與軟件相結合的有機體，其中載波解調和C/A碼解擴通常是由ASIC硬件形式的數字信號處理器來(lái)完成的，而在微處理器中運行的跟蹤環(huán)路控制軟件通過(guò)計算來(lái)調節數字信號處理器的各種操作。由Atmel公司生產(chǎn)的ATR0620 芯片包含有一個(gè)基于A(yíng)RM7TDMI處理核的16通道相關(guān)器，它具有高性能的32bit RISC結構，使用16bit指令系統，能利用ARM7TDMI微控制器核與片上RAM,完成GPS16通道相關(guān)器和外圍設備接口功能；利用芯片內部大量的功能寄存器可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制應用。

ATR0620外部接口及與ATR0600的信號連接如圖3所示。

2.4 GPS接收機的電路設計

ATR0600射頻前端為ATR0620提供衛星信號,主時(shí)鐘信號和其它一些控制信號,而ATR0620為ATR0600提供采樣信號。圖4為利用ATR0600和ATR0620芯片設計的GPS接收機方框圖。

2.5 存儲模塊及通信接口

選用Cypress公司生產(chǎn)的CY7C1041，由片選信號NSCS[I]選通來(lái)擴展SRAM，容量為4 Mb。FLASH則選用ST公司的4Mb容量的SST39VF400芯片，由片選信號NSCS[0]選通。

接收機中設計了兩種通信接口：一種是JTAG調試接口，連接JTAG仿真器進(jìn)行開(kāi)發(fā)調試，下載用戶(hù)程序；另一種是RS232通信串口，用于與主機通信。其中JTAG調試電路連接如圖5所示。

3 GPS接收機的軟件設計

GPS的用戶(hù)設備主要由接收機硬件和處理軟件組成。用戶(hù)通過(guò)用戶(hù)設備接收GPS衛星信號，經(jīng)信號處理而獲得用戶(hù)位置、速度等信息，最終達到利用 GPS進(jìn)行導航和定位的目的。GPS接收機軟件的結構如圖6所示。程序包含兩部分：匯編語(yǔ)言程序部分(用于引導和系統初始化)和C語(yǔ)言應用程序(用于主要的導航定位計算)。軟件整體采用并行任務(wù)結構，由相關(guān)器產(chǎn)生的累加數據IRQ中斷信號進(jìn)行任務(wù)切換的驅動(dòng)，在中斷服務(wù)程序中更新偽碼、載波和數據解調環(huán)路。

GPS接收機的應用軟件根據不同的用途而不同，主要包括：數據采集與分析、衛星位置計算、時(shí)間推算、差分定位和動(dòng)態(tài)定位等程序。本設計的GPS接收機上的程序主要在A(yíng)RM— CLinux交叉編譯環(huán)境下用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，通過(guò)ARM7 JTAG接口連接JAG仿真器進(jìn)行調試和移植。

4 結束語(yǔ)

本設計的GPS接收機采用內嵌ARM7核的GP4020芯片作為接收機的數字基帶處理器，通過(guò)實(shí)驗調試，消除了以往微處理器的瓶頸效應，具有體積小、功耗低、性能高的特點(diǎn)。實(shí)驗PCB板尺寸：75 mmх50 mm xl2 mm；通道數：16；功耗：小于0.1 W；首次定位時(shí)間：小于41 s(冷啟動(dòng))，小于2.5s(熱啟動(dòng))；定位精度:3 m。