筆記本電腦借助通用GPS RF前端實現(xiàn)軟件基帶處理

引言

近來，通訊和導(dǎo)航工程師越來越傾向在全球定位系統(tǒng)(GPS)中采用軟件技術(shù)。^1,2 由于超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，性能強大的CPU和DSP能夠通過軟件對GPS信號進行實時檢測和解碼。這些基于軟件的GPS接收機具有相當(dāng)強的靈活性：只需修改設(shè)置參數(shù)即可適應(yīng)新的應(yīng)用，無需重新設(shè)計硬件，選擇一個IF，就可完成進一步的系統(tǒng)升級。

利用MAX2769 GPS接收機RF前端芯片，簡單的USB dongle或PCI Express® (PCIe®)迷你卡就可以為筆記本電腦增加低本錢的GPS功能。MAX2769將接收到的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C主機，PC主機利用軟件實現(xiàn)基帶解碼，從而 省往了單機GPS系統(tǒng)所需要的基帶ASIC的本錢。簡單的說，MAX2769使設(shè)計職員可以利用單芯片實現(xiàn)GPS和Galileo系統(tǒng)信號處理的適配器。

本文給出了GPS系統(tǒng)的工作狀態(tài)概述，并具體描述了Maxim的基于軟件的GPS接收機方案。

GPS基本原理

GPS系統(tǒng)包含24顆空間衛(wèi)星或空間運載器(每個都用唯一的偽隨機噪聲編碼識別)、地面控制站以及用戶設(shè)備(接收機)。對于民用GPS和Galileo系統(tǒng)，這些衛(wèi)星通過頻率為1.57542GHz的L1波段進行通訊。³ GPS接收機必須捕捉到至少四顆衛(wèi)星的信號才能進行可靠定位，信號捕捉和跟蹤非常復(fù)雜，由于每顆衛(wèi)星和接收機的位置時刻都在變化。

圖1. 民用GPS信號發(fā)生器采用擴頻技術(shù)發(fā)送信號。

GPS信號

GPS系統(tǒng)實際上是一個簡單的擴頻通訊系統(tǒng)。 圖1提供了一個民用GPS系統(tǒng)的信號發(fā)生電路。首先，50bps的 導(dǎo)航信息重復(fù)20次，形成1000bps的比特流。然后這個重復(fù)信號被長度為1023碼片(偽隨機噪聲(PRN)碼的碼速)的唯一粗調(diào)/捕捉碼(C/A) 進行擴頻，形成1.023Mcps的基帶信號。此用這種擴頻方法后，43dB大小的GPS系統(tǒng)的總處理增益(G)可以很好地恢復(fù)比熱噪聲電平低得多的信 號。

每顆衛(wèi)星都有唯一的C/A碼或者說Gold碼。 由于具有很好的自相關(guān)和互相關(guān)性，Gold碼被廣泛用于各種CDMA通訊系統(tǒng)，如WCDMA和cdma2000®?；鶐盘柦?jīng)過二元相移鍵控(BPSK)調(diào)制后被上變頻到L1波段進行傳輸。

信號捕捉

由于GPS是一種CDMA通訊系統(tǒng)，所以作為解調(diào)數(shù)據(jù)的先決條件，接收機必須與PRN碼進行同步。實現(xiàn)代碼同步通常需要兩個步驟：用來實現(xiàn)粗對準的代碼捕捉和用來實現(xiàn)精細對準的代碼相位跟蹤。⁶ 更明確地講，GPS接收機必須首先確定它對某顆衛(wèi)星是否具有視距上的可視性。我們知道，每顆衛(wèi)星都由唯一的C/A碼來區(qū)分。當(dāng)衛(wèi)星可視時，由捕捉過程判定 信號的頻率和代碼相位，然后確定相應(yīng)的解調(diào)參數(shù)。由于存在多普勒效應(yīng)，根據(jù)衛(wèi)星相對于接收機的速度，接收信號的頻率一般會偏移標稱值5kHz到 10kHz。

在接收器端，GPS信號首先被下變頻到同向和正交(I和Q)分量信號。再由一對I和Q相關(guān)器將I/Q基帶信號與本地PRN序列進行相關(guān)運算。經(jīng)過一個比特周期的積分后，I-Q相關(guān)器的輸出被累加起來以提供輸出判定變量。