GPS接收機(jī)12通道相關(guān)器GP2021的原理與應(yīng)用

摘要：GP2021是Zarlink半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的12通道C／A碼基帶相關(guān)器，該芯片與大多數(shù)16位和32位微處理器兼容，可用于GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)。文中介紹了GP2021的主要特點(diǎn)和工作原理，給出了GP2021的典型應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GPS；相關(guān)器；接收機(jī)；GP2021

１ ＧＰ２０２１的主要特點(diǎn)

ＧＰ２０２１是Ｚａｒｌｉｎｋ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司生產(chǎn)的１２通道Ｃ／Ａ碼基帶相關(guān)器，可用于ＮＡＶＳＴＡＲ ＧＰＳ衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)，并可與Ｚａｒｌｉｎｋ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司的ＧＰ２０１５和ＧＰ２０１０ Ｃ／Ａ碼射頻下變頻器配合使用。

ＧＰ２０２１與大多數(shù)１６位和３２位的微處理器兼容，特別是Ｍｏｔｏｒｏｌａ和Ｉｎｔｅｌ公司的微處理器，此外，芯片上也有一些功能可支持ＡＲＭ６０ ３２位ＲＩＳＣ處理器，通過(guò)芯片內(nèi)的存儲(chǔ)器管理功能可用最少的外部邏輯芯片實(shí)現(xiàn)ＧＰＳ接收機(jī)。ＧＰ２０２１中每個(gè)相關(guān)器通道可以分別控制。因此，對(duì)于不需要１２個(gè)通道的系統(tǒng)工作模式，可以僅激活所需的相關(guān)器通道，從而降低功耗。此外，通過(guò)使用備用電池可把電源電壓降低至２．２Ｖ，進(jìn)一步降低接收機(jī)功耗。

圖1

ＧＰ２０２１的主要特點(diǎn)如下：

●１２個(gè)完全獨(dú)立的相關(guān)器通道；

●具有雙ＵＡＲＴ和實(shí)時(shí)時(shí)鐘；

●與多數(shù)１６位和３２位微處理器兼容；

●具有低電壓，低電流和低功率模式；

●典型功耗１５０ｍＷ；

●與ＧＰ２０１０和ＧＰ２０１５射頻前端兼容；

●后備電池電壓為２．２Ｖ（最小值）。

ＧＰ２０２１相關(guān)器可廣泛用于ＧＰＳ導(dǎo)航系統(tǒng)、ＧＰＳ測(cè)量接收機(jī)和時(shí)間轉(zhuǎn)發(fā)接收機(jī)中。

２ 工作原理

圖１所示為ＧＰ２０２１的功能原理框圖。ＧＰ２０２１相關(guān)器中集成有１２通道ＧＰＳ相關(guān)器，它的數(shù)字中頻數(shù)據(jù)來(lái)自射頻前端，控制功能由微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。相關(guān)器內(nèi)除了１２個(gè)通道相關(guān)器外，還有一些微處理器支持功能，包括雙ＵＡＲＴ和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。ＧＰ２０２１可與ＡＲＭ處理器或其它形式的微處理器進(jìn)行連接。

２． １ １２通道相關(guān)器

圖２所示為ＧＰ２０２１中１２通道相關(guān)器的功能框圖?？梢钥闯觯鼉?nèi)部由采樣鎖存器、時(shí)鐘產(chǎn)生器、時(shí)基產(chǎn)生器、地址譯碼器、狀態(tài)寄存器以及總線接口等組成。

圖2

采樣鎖存器可將來(lái)自射頻前端的同步數(shù)據(jù)與內(nèi)部ＳＡＭＰＣＬＫ時(shí)鐘進(jìn)行同步。在實(shí)模式下，下變頻的衛(wèi)星信號(hào)在前端輸出并以ＳＡＭＰＣＬＫ采樣。同時(shí)數(shù)據(jù)在ＳＡＭＰＣＬＫ的下一個(gè)上升沿重采樣。此后這些信號(hào)再被分配到１２個(gè)跟蹤模塊。在復(fù)輸入模式下，下變頻衛(wèi)星信號(hào)可直接應(yīng)用到ＧＰ２０２１的ＳＩＧＮ０、ＭＡＧ０、ＳＩＧＮ１和 ＭＡＧ１輸入，以分別作為同相路的符號(hào)和幅度，正交路的符號(hào)和幅度。這些信號(hào)以５．８３３ＭＨｚ在相關(guān)器內(nèi)進(jìn)行采樣。

時(shí)鐘產(chǎn)生器可把從射頻前端得到的主時(shí)鐘ＣＬＫ Ｔ／ＣＬＫ Ｉ進(jìn)行６或７分頻，以得到內(nèi)部的多相位時(shí)鐘組。與ＧＰ２０１５連接時(shí)，由于主時(shí)鐘額定頻率是４０ＭＨｚ，故應(yīng)在內(nèi)部進(jìn)行７分頻。工作于復(fù)輸入模式下時(shí)則應(yīng)進(jìn)行６分頻。與ＧＰ２０１５連接時(shí)，其ＳＡＭＰ-ＣＬＫ采樣時(shí)鐘為５．７１４ＭＨｚ。

時(shí)鐘產(chǎn)生器的主要任務(wù)是產(chǎn)生ＭＩＣＲＯ ＣＬＫ微處理器的時(shí)鐘信號(hào)，其頻率為主時(shí)鐘的一半。主要功能是作為ＡＲＭ系統(tǒng)模式時(shí)存儲(chǔ)器控制邏輯的同步時(shí)鐘。

時(shí)基產(chǎn)生器用于產(chǎn)生四個(gè)重要信號(hào)。其中ＡＣ-ＣＵＭ ＩＮＴ是累加器中斷信號(hào)，用于控制相關(guān)器累加器和微處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸，該信號(hào)可通過(guò)ＡＣＣＵＭ ＩＮＴ輸出進(jìn)行檢測(cè)，也可通過(guò)讀?。粒茫茫眨?ＳＴＡ-ＴＵＳ Ａ寄存器進(jìn)行檢測(cè)。ＴＩＣ是一個(gè)內(nèi)部信號(hào)，默認(rèn)值約為１００ｍｓ，用于同時(shí)鎖存所有１２個(gè)通道的測(cè)量數(shù)據(jù)（周期計(jì)數(shù)、碼相位、碼ＤＣＯ相位、載波ＤＣＯ相位、載波周期計(jì)數(shù)），其周期可以改變。ＭＥＡＳ ＩＮＴ是測(cè)量中斷信號(hào)。ＴＩＭＥＭＡＲＫ為時(shí)間標(biāo)記，可作為秒脈沖信號(hào)。

２．２ 相關(guān)器中的跟蹤模塊

該模塊是１２個(gè)獨(dú)立的信號(hào)跟蹤模塊，編號(hào)ＣＨ０～ＣＨ１１。這些功能模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可用于跟蹤衛(wèi)星信號(hào)。圖３所示是跟蹤模塊的原理框圖。每一個(gè)跟蹤通道可獨(dú)立編程，并可工作于Ｕｐｄａｔｅ（更新）模式或者Ｐｒｅｓｅｔ（預(yù)設(shè)）模式。其中更新模式是普通模式。預(yù)設(shè)模式是特別的工作模式。

由圖３可以看出，ＧＰ２０２１的跟蹤模塊中主要包括載波ＤＣＯ、碼ＤＣＯ碼數(shù)控振蕩器、載波周期計(jì)數(shù)器、Ｃ／Ａ碼產(chǎn)生器、數(shù)據(jù)源選擇器、載波混頻器、碼混頻器、累加與清零、碼相位計(jì)數(shù)器、碼掃描計(jì)數(shù)器以及周期計(jì)數(shù)器等部分。

３ 典型應(yīng)用

圖４所示是使用ＧＰ２０２１設(shè)計(jì)的典型ＧＰＳ接收機(jī)，由ＧＰ２０１０或ＧＰ２０１５射頻前端、ＧＰ２０２１相關(guān)器以及ＡＲＭ６０ ３２位ＲＩＳＣ微處理器組成。該系統(tǒng)可以使用單個(gè)射頻前端，因?yàn)樗械模牵校有l(wèi)星都使用相同的Ｌ１天線，頻率為１５７５．４２ＭＨｚ。但是為了獲得更廣的空間覆蓋，有時(shí)需要使用多根天線，這時(shí)就需要多個(gè)獨(dú)立的射頻前端。在射頻部分，ＧＰ２０１０或ＧＰ２０１５可對(duì)Ｌ１信號(hào)進(jìn)行下變頻以進(jìn)行數(shù)字基帶處理，然后將得到的信號(hào)在ＧＰ２０２１中與本地產(chǎn)生的Ｃ／Ａ碼進(jìn)行相關(guān)處理。每一相關(guān)通道可以使用各自的碼字，這樣１２個(gè)相關(guān)器通道就可以同時(shí)工作以捕獲和跟蹤多達(dá)１２顆衛(wèi)星。把相關(guān)器的輸出數(shù)據(jù)送到微處理器便可得到導(dǎo)航信息和控制跟蹤環(huán)路信號(hào)。

為抑制雜散，保證相關(guān)器的正確工作，應(yīng)減小相關(guān)器ＧＰ２０２１和射頻前端相連接所產(chǎn)生的干擾。并使ＧＰ２０２１相關(guān)器的ＳＡＭＰＣＬＫ信號(hào)諧波達(dá)到最小，以使其不會(huì)混到ＩＦ鏈路的通帶內(nèi)。

ＧＰ２０２１的ＳＡＭＰＣＬＫ輸出和ＧＰ２０１５的ＣＬＫ輸入間應(yīng)串連一個(gè)１．５ｋΩ的電阻，它與ＣＬＫ腳的輸入電阻構(gòu)成一個(gè)濾波器，可以抑制ＳＡＭＰＣＬＫ信號(hào)的高次諧波。在射頻前端送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)入ＧＰ２０２１前，也應(yīng)采取類似措施，即在ＧＰ２０１５的ＭＡＧ和ＳＩＧＮ輸出端與ＧＰ２０１０的輸入端之間串連一個(gè)４７０Ω的電阻。

此外，為了抑制干擾，還要考慮電源解耦和布線，考慮關(guān)鍵元件的放置和印制板地平面的設(shè)置。