全球定位系統(tǒng)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、射頻前端、相關器和導航解算部分。其中，天線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(shù)字化接收機中還包括a/d轉(zhuǎn)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，相關器主要負責信號跟蹤與鎖定的硬件部分，包括各種原始數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的解調(diào)、偽距的提取以及導航數(shù)據(jù)的解算，它的處理基礎是相關器，所有的原始數(shù)據(jù)來自相關器。

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接收的l1頻段信號到兩位數(shù)字信號的模塊。其中，中頻濾波在片外，分別由一個157.42mhz濾波器和一個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)生一個本地的振蕩頻率來提供給混頻器，它的參考信號是來自溫度補償晶振（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行濾波，在使用之前應該預先調(diào)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gp2015的抗干擾性。

gp4020是完整的基于gps接收機的數(shù)字基帶處理器，它由一個12通道的相關器和帶arm7tdmi核的微處理器組成。其中，相關器包含12個獨立通道的跟蹤模塊，每個模塊包含所有的跟蹤和鎖定gps信號的模塊，不是每個通道都必須在跟蹤的時候激活，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和看門狗的功能。

在整個設計過程中，射頻部分的設計是基礎，它的良好實現(xiàn)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現(xiàn)過程。

3 gp2015射頻模塊的設計

本設計選用的gp2015有48個引腳，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(zhuǎn)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來，因為微波傳輸帶周圍的絕緣基都是一個不連續(xù)的空氣和絕緣基的混合體，所以信號的傳輸都受邊緣區(qū)域的影響，微波傳輸帶特征阻抗的計算是很復雜的，但是能夠通過一定的條件來簡化。

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(nèi)部實現(xiàn)，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(jù)微波傳輸?shù)挠嬎愎?，微波帶大概應該? 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(shù)不一樣，則整個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，在整個接收機中如果沒有溫度補償晶振的穩(wěn)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5ma，否則51ω電阻器上的壓降就會很大。

3.3 第一級中頻濾波器的設計

gp2105的第一次下變頻至175.42mhz，在片外進行濾波，由于沒有專用濾波器，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rf濾波器來進行消除。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偏移來實現(xiàn)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dc連接，它通過1只上拉電感器來實現(xiàn)，同時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帶有諧振器的耦合可調(diào)的ic濾波器，整個電路設計如圖2所示。

3.4 第二級中頻濾波器的設計

第二級中頻濾波器的中心頻率為35.42mhz，帶寬約為＋1.0mhz，插入損耗為14db－18db，衰減系數(shù)大于10db。連接在二級混頻的輸出和三級混頻的輸入之間。該濾波器的帶寬應該達到2mhz，同時對帶外信號應該至少有20db的衰減，所以它的響應曲線應該是一個brick－wall形狀的曲線。在這一級的濾波器設計中，選用dynex公司的dw9255來實現(xiàn)濾波。它可提供中心頻率在35.42mhz的1.9mhz帶寬，同時衰減只有1db。帶外信號的濾除在＋2.0mhz達到21db。

第三級混頻后的濾波在片內(nèi)完成，在此不作詳細介紹。