GPS接收机射频前端电路

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1、GPS接收机射频前端电路GPS receiver rf circuit摘要在GPS设计中采用了高频、低噪声放大器，以减弱天线热噪声及前面几级 单元电路对接收机性能的影响；基于超外差式电路结构、镜频抑制和信道选择原 理，选用芯片实现了射频单元的三级变频方案。概述了GPS接收机基本工作原理， 提出了一种基于GP2000射频前端电路的GPS接收机方案。详细说明GP2000射频放 大器的设计原理以及外围匹配电路设计方法。重点叙述了接收机软硬件设计思路 和方法。关键词：GPS；前置放大；变频；相关器。Abstract: In the design of high frequency used the G

2、PS, low noise amplifier to abate antenna thermal noise and front level in the receiver unit circuit performance influence. Specialized superheterodyne type circuit based on structure, mirror frequency suppression and channel selection principle, choose chip realized the rf unit level 3 frequency con

3、version plan. Summarizes the basic working principle of GPS receiver, and puts forward a kind of GP2015 rf circuit based on the GPS receiver scheme. Details GP2015 rf design principle and peripheral amplifier matching circuit design method. Key described hardware and software design idea and method

4、for the receive.Keywords: GPS, preamplifier, Frequency conversion, correlator引言：GPS（全球定位系统）以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定 位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，使其用途越来越广泛。GPS卫星发送的 导航定位信号是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只 要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即GPS信号接收机，就可以在任 何时候用GPS信号进行导航定位测量oGPS信号接收机的功能是能够捕获到按一定卫星高度截 止角所选择的待测卫

5、星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对接收到的GPS信号进行变换、放 大和处理、以便测量出GPS信号从卫星接收机天线的传播时间，解译GPS卫星所发送的导航 电文，实时地计算出测站的3维位置甚至3维速度和时间。目前，卫星导航的应用已经遍及军 事、航海、航空、测量、交通、勘测等几乎一切与位置、速度、时间有关的人类活动中。在 各种全球定位系统不断发展的同时，GPS用户端设备也处于不断升级和发展之中。正文：利用GPS卫星实现导航定位时，用户接收机的主要任务是提取卫星信号中的伪随机噪 声码和数据码，以进一步解算得到接收机载体的位置、速度和时间（PVT）等导航信息。因 此，GPS接收机是至关重要的用户设备。目

6、前实际应用的GPS接收机电路一般由天线单元、射 频单元、通道单元和解算单元等四部分组成，如图1所示。带通淀波黑1f1f1L1i频辜舍城器;i1标频幕1 11|11|-aI1-高频低噪放1 1 1 ) -rr1 1频事变换器! 1相黄通道Mar *财顾卑兀天线单元存储器图1；呼按收机的纽戒1.GPS接收机基本结构从接收机的结构来看，随着VLSI（超大规模集成电路）和DSP（数字信号处理）技术的发展，单 通道序贯式、时分多路复用式接收机早已为采用了 DSP模块的并行多通道接收机所代替，所 能达到的通道数和等效相关器数不断增加，集成度更高的内嵌MPU/MCU的GPS基带处理器 芯片成为主流。卫星定位

7、信号接收机的硬件系统主要由天线单元、射频模块、基带处理模块 和电源模块组成。其结构如图1所示。图1GPS接收机基本结构示意图GPS卫星信号采用典型的码分多址（CDMA）调制技术进行合成（如图2所示），其完整信号主 要包括载波、伪随机码和数据码等三种分量。信号载波处于L波段，两载波的中心频率分别 记作L1和L2。卫星信号参考时钟频率fO为10.23MHz,信号载波L1的中心频率为f0的154倍频, 即：fLl=154Xf0=1575.42MHz（1）其波长入1=19.03cm；信号载波L2的中心频率为f0的120倍频，即：fL2=120Xf0=1227.60MHz（2）其波长入2=24.42cm

8、。两载波的频率差为347.82MHz，大约是L2的28.3%,这样选择载波频率 便于测得或消除导航信号从GPS卫星传播至接收机时由于电离层效应而引起的传播延迟误 差。伪随机噪声码（PRN）即测距码主要有精测距码（P码）和粗测距码（C/A码）两种。其 中P码的码率为10.23MHz、C/A码的码率为1.023MHz。数据码是GPS卫星以二进制形式发送给 用户接收机的导航定位数据，又叫导航电文或D码，它主要包括卫星历、卫星钟校正、电离 层延迟校正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的信息和全部卫星的概略星历；总电文由 1500位组成，分为5个子帧，每个子帧在6s内发射10个字，每个字30位，共计

9、300位，因此数 据码的波特率为50bps。数据码和两种伪随机码分别以同相和正交方式调制在L1载波上，而在L2载波上只用P码 进行双相调制，因此L1和L2的完整卫星信号分别为：SL1 (t) =AcCi(t)Di(t)sin(3L1t+Q c) +ApPi(t)Di(t)cos(3L1t+Q P1) (3)SL2 (t) =BpPi(t)Di(t)cos(3L2t+Q p2)(4)式中，Ap、Bp、Ac分别为P码和C/A码的振幅；Pi(t)、Ci(t)分别为对应P码和C/A码的伪 随机序列码；Di(t)为卫星导航电文数据码;3 L1、3 L2分别为L1和L2载波信号的角频率；(p C 和Q P

10、1、p P2分别为C/A码和P码对应于载波的起始相位。合成的GPS信号向全球发射，随时 随地供接收机解算导航定位信息使用。2 GPS接收机的灵敏度GPS接收机对信号的检测质量取决于信噪比，当其为“理想接收机”时，接收机输入端 的信噪比Si/Ni与其输出端的信噪比So/N。相同。由于实际GPS接收机存在内部噪声，使得(So/No)(Si/Ni)；而噪声越大，输出信噪比越越小，则接收机的性能越差，此时接收机 的噪声系数为：F= (Si/Ni) /(So/No) (5)式(5)表明由于内部噪声影响，接收机输出端信噪比相对于输入端信噪比变差的倍数, 由式(5),输入信号额定功率可表示为：Si=NiFo

11、(So/No)(6)式(6)给出了GPS接收机在噪声背景下接收卫星信号的能力，接收机不仅要将输出信号 放大到足够的数值，更重要的是要使输出端的信噪比So/No达到所需比值。令(So/No) 三(So/No)min时对应的接收机输入信号功率的最小可检测信号功率为Simin，通常用它表示 接收机的灵敏度。由于接收机的输入噪声额定功率Ni=kT0Bn(7)式(7)中k为玻尔兹曼常数，k=1.38X 10 -23J/K,T0为单元电路的室内温度17C (290K， 绝对温度)，Bn为单元电路的带宽。将式(7)代入式(6)可得：Si=kT0BnFo(So/No) (8)于是可进一步得到GPS接收机的灵敏

12、度为:Simin=kT0BnFo(So/No)min(9)第一级第二皴140MHz第二本振1400MHz 第一举振GPS接收轨射频前端第、二级变頻模块混频器AGC-4.309MHz 带通滤液器第三级曲42忻b四信号309MHz中频卫星信号3L111MHe第三年振高GPS接收机的灵敏度，就要减少最小可检测信号功率Simin,虑尽量降低接收机的总噪声系数Fo,另一方面应设法提由式(9) 因此在接收机电路设卡 高噪声背景下GPS接收机出端信So/No变频及扎GC粮块 3 GP接收机天线单元图5 GPS接敕机射频前端三级变频原理图天线单元的主要功能是接收空中GPS卫星信号，从而为接收机射频前端提供较为

13、纯净的 完整卫星信号。在接收机设计中，当两个单元电路级联时(如图所示)，如果第一、二级单 元电路的噪声系数和额定功率增益分别为Fl、F2和Gl、G2,其带宽均为Bn；设级联电路的总 噪声系数为Fo，则其实际输出的额定噪声功能No为:No=kT0BnG1G2Fo (10) 由于No由两部分组成，即:No=No12+A N2(11)其中No12是由于第一级单元电路的噪声在第二级单元电路输出端呈现的额定噪声功率, N2是由于第二级单元电路所产生的噪声功率，且No12=kToBnG1G2F1(12) N2=kToBnG2(F2-1)(13)将式(12)、(13)代入式(11)，则 No=kToBnC1

14、C2Fo=kToBnG1G2F1+kToBnG2(F2-1) (14) 化简式(14),得到两级单元电路级联后的总噪声系数为：Fo=F1+(F2-1)/G1(15)同理可得，n级单元电路级联时的总噪声系数为：Fo=F1+(F2-1)/G1+(F3-1)/(G1G2)+A + (Fn-1) /(G1G2A Gn-1)(16)可见，GPS接收机中各级单元电路的内部噪声对级联后总噪声系数的响应有所不同，级 数越靠前的单元电路的噪声系数对总噪声系数的影响越大。因此，总噪声系数主要取决于最 前面几级单元电路的噪声系数，其中天线热噪声对接收机性能影响最大，故设计时采用接收 天线、射频频段选择带通滤波器及高

15、频低噪放（LNA）等器件组成天线单元（如图4所示）。 天线单元采用DC 5V供电，其中LNA采用高增益、低噪声、高频放大器MAAM12021,其增益高 达21dB、噪声系数低于1.55dB,有利于降低GPS接收机的总噪声系数；其工作频段处于1.5 1.6GHz,适合于C/A码GPS接收机的频带需求，可满足高增益和低噪声系数的性能指标要求。HI 4 f；片捲收机的天鸡I单丘4 GPS接收机射频单元噪声总线伴随着信号同时出现,尽可能提高噪声背景下输出端的信噪比是改善接收机灵 敏度的重要措施。GPS接收机天线单元接收并提供给射频单元的信号频率很高而信道带宽又 很窄，要直接滤出所需信道，则需Q值非常大

16、的滤波器，至少目前的技术水平难以满足这一 指标；另外高频电路在增益、精度和稳定性等方面的问题，在高频范围直接对GPS卫星信号 进行解调很不现实。为此，在射频单元设计中采用“超外差”式多级变频配合区配滤波器的 电路结构，以消除噪声干扰，解决高频信号处理中所遇到的困难。适合这种电路结构的芯片 采用了第二代GPS接收机射频前端GP2000。它采用44引脚、帧面方形封装，主要集成了频率 合成器、混频器、自动增益控制（AGC）电路以及数字量化器等。GP2000接收的信号频率与 L1载波的卫星信号频率兼容，主要用于设计C/A码GPS接收机的射频单元。微弱的GPS高频信 号通过超外差式三级混频电路，去掉了其

17、它信道干扰，获得了足够增益，解调并撮出所需的 中频信息。图5给出了前两级超外差式下变频器和带有自动增益控制（AGC）电路的第三级混 频器的工作原理图，每经过一次下变频，输出信号的频率降低、幅度增大，而其它信道和频 段的干扰则被逐步滤除。GP2000利用混频器将高频GPS信号搬到很低中频频率的同时引入了镜频干扰，而利用滤 波器对镜频干扰的抑制效果取决于镜频频率与信号频率之间的距离，或者说取决于中频频率 的高低。如果中频频率高，则信号与镜频相距较远，那么镜频成份就能受到较大抑制；反之， 如果中频频率较低，则信号与镜频相隔不远，滤波器对干扰的滤波效果就比较差。由于信道 选择在中频进行，同理，较高的中

18、频频率对信道选择滤波器的要求也较高，于是镜频抑制与 信道选择形成一对矛盾，而中频频率的选择成为平衡这对矛盾的关键。所以在GPS接收机设 计中，通常使用两级或三次变频来取得更好的折衷。由图6可看出，GP2000的三级变频器采用了中心频率分别为175.42MHz、35.42MHz和 4.309MHz的三个中频滤波器。各级混频器需要的本振信号均由片内集成锁相环（PLL）频率 合成器提供（如图6所示）。它主要由PLL振荡器回路、鉴相器、PLL环路滤波器、分频器和一 个完整的1400MHz压控振荡器（VC0）等元件组成。PLL采用10.000MHz参考频率；VC0的控制 增益为150MHz/V、输出频率

19、范围为13861414MHz。为了提供高稳定度参考频率源，设计中 采用了温度补偿型晶体振荡器（TCXO）自输入阻抗为5kQ的参考频率提供10.000MHz的AC小 信号频率给PLL振荡器。当PLL相位锁定参考信号时，鉴相输出逻辑高电平指示相位已锁定, 相位锁定时间约需6ms,环路增益约为150dB。VC0输出的1400MHz信号作为第一本振信号，由 其分频产生的140.0MHz、31.111MHz信号分别作为第二本振第第三本振信号。当GP2000接收 到1575.42MHz的GPS卫星信号时，通过三级变频可得到4.309MHz的中频信号。去信号图6 GPS接收机肘髓前端餐振发生模块n coo为

20、配合通道单元和解算单元完成导航信号的数据提取及信号处理，在5.714MHz采样时钟 控制下，GP2000的片内集成数字量化器可实现对4.309MHz的中频卫星信号进行数字量化，从 而为通道单元相关器提供TTL电平的2位量化输出，即1.405MHz的二进制符号及量值数字信 息，如图7所示。为了得到平稳的中频卫星信号及采样数字输出，该模块同时产生AGC控制信 号用于稳定第三级变频（如图5 （b）所示）时所产生的中频信号幅度。接收机还必须知道卫星的确切位置。这并不是特别难办到的事，因为卫星运行在很高的 既定轨道上。GPS接收机储存有星历，其作用是告诉接收机每颗卫星在各个时刻的位置。虽 然一些外在因素

21、，如月球和太阳的引力作用，会缓慢地改变卫星运行的轨道，但美国国防部 会不断监控卫星的精确位置，并把任何调整信息都作为卫星信号的一部分传送给所有的GPS 接收机。虽然这一系统工作性能不错，但错误还是会不时发生。其中一个原因是，这一测量方式 是建立在一种假设上的，即无线电信号会匀速（光速）穿过大气层。事实上，地球大气层在 一定程度上减慢了电磁能量的传播速度，特别是当电磁信号进入电离层和对流层时。延迟状 况因您在地球上所处地点的不同而不同，这意味着很难将这一因素准确地纳入距离的计算中 去。难题还在于无线电信号可能被大型物体反弹回去，例如摩天大楼，这将导致接收机计算 出的与卫星的距离比实际的要远。最糟

22、的情况是，有时卫星会发送错误的星历数据，误报自己的位置。总之，GP2000芯片组是Zarlink半导体公司为设计GPS接收机而推出的一系列集成电路， 采用GP2000芯片组可设计出多通道卫星信号接收设备。在GPS接收机设计中，天线单元的设 计着重考虑频段选择和高频低噪放对接收机总噪声系数的影响，以提高接收机灵敏度；射频 单元利用频率合成、频率变换、自动增益控制等技术，依靠高品质的中频频率选择、镜频抑 制和信道选择滤波器，对所接收的GPS信号进行变频、放大、滤波、采样等一系列处理，从 而得到数字中频卫星信号。由此精心设计的超外差式GPS接收机可达到很高的接收灵敏度、 频率选择性和较大的动态范围，

23、并具有结构简单、体积小、重量轻、耗电省等优点。参考文献：1 黄智伟.无线发射与接收电路设计M .北京：北京航空航天大学出版社，2004.2 黄智伟.GPS接收机电路设计M .北京：国防工业出版社，2005.3 黄玉兰.射频电路理论与设计人民邮电出版社4 胡荣磊.双射频前端GPS遥感延迟映射接收机设计J.测控技术，2006.5 黄勋.基于ARM核的GPS接收机的设计J.电视技术，2006.6 Zarlink Semiconductor. GP2010 GPS Receiver RF Front EndM， DS4056,Issue 3.4., October 19967 Carl J.Weisman射频和无线接入技术入门清华大学出版社8 王磊杨红.射频电路设计技术电子工业出版社9 李智群王志功.射频集成电路与系统科学出版社10 冯新宇李向前穆秀春.ADS2009射频电路设计与仿真电子工业出版社