GPS( Global Posit ioning System，全球定位系統(tǒng))是由美國國防部于1973 年提出，歷時(shí)20 年建立起來的新一代精密衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GPS 作為一種全球性、全天候的連續(xù)、實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，具有在海陸空進(jìn)行全方位、實(shí)時(shí)、三維導(dǎo)航與定位的能力，能為用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、速度和時(shí)間基準(zhǔn)。
目前，我國正在實(shí)施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)( Bei Dou( COMPA SS) Navigat io n Satel lite System) 建設(shè)工作,規(guī)劃相繼發(fā)射5 顆靜止軌道衛(wèi)星和30 顆非靜止軌道衛(wèi)星，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。按照建設(shè)規(guī)劃，在2012 年前后，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將首先提供覆蓋亞太地區(qū)的導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)能力。在2020 年前后，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
長期以來，我國GPS 接收機(jī)以國外引進(jìn)為主，大多數(shù)接收機(jī)還都是基于國外的GPS 專用處理芯片，不僅價(jià)格昂貴，而且性能上受到國外技術(shù)限制，無法滿足軍事等領(lǐng)域的要求。由此可見，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的GPS 數(shù)字接收機(jī)具有戰(zhàn)略意義，自主開發(fā)GPS 接收機(jī)不僅可以突破國外的技術(shù)限制，使GPS 接收機(jī)適用于高動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)性要求較高的環(huán)境中，而且可以為開發(fā)! 北斗?導(dǎo)航定位接收機(jī)，促進(jìn)“ 北斗” 導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展提供技術(shù)支持和積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。本文主要介紹以GP2010 為核心的GPS 前端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1 移動(dòng)GPS前端整體設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)是圍繞Zarlink 公司的專用芯片GP2010 進(jìn)行的，天線接收到GPS 衛(wèi)星發(fā)射的L1 頻段載波信號，首先經(jīng)過無源帶通濾波器和低噪聲放大器后，進(jìn)入GP2010芯片。通過三級下變頻" title="下變頻">下變頻，經(jīng)過放大、濾波等調(diào)整后將射頻信號" title="射頻信號">射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號" title="中頻信號">中頻信號，然后由兩比特模數(shù)采樣器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便后續(xù)基帶電路進(jìn)行相關(guān)處理。
1. 1 前端射頻信號處理模塊GP2010
GP2010 是Zarlink 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的GPS 接收機(jī)射頻前端" title="射頻前端">射頻前端專用芯片，提供了一個(gè)低功率、低成本和高可靠性的GPS 射頻前端解決方案。該芯片采用T QFP44封裝，工作電源為3~ 5 V，功耗200 mW( 3 V 電壓) 。
天線接收到的衛(wèi)星L1 頻段導(dǎo)航定位信號，經(jīng)過無源濾波器、低噪聲放大器以及阻抗匹配的微帶線路輸入到GP2010，完成1. 2 節(jié)中設(shè)計(jì)的下變頻方案，從而實(shí)現(xiàn)射頻信號到數(shù)字中頻信號的轉(zhuǎn)換。
GP2010 包括片上頻率合成器、分頻器、混頻器" title="混頻器">混頻器、自動(dòng)增益控制器( AGC) 和一個(gè)提供符號與量級數(shù)字輸出的量化器。利用該專用芯片僅需少量的外圍電路及少許電子元件，即可構(gòu)成一個(gè)完整的GPS 接收機(jī)射頻前端電路。該專用芯片可與Zar link 公司生產(chǎn)的12 通道數(shù)字相關(guān)器GP2021 相關(guān)器或GP4020 基帶處理器配套使用，組成一個(gè)完整的GPS 接收機(jī)硬件平臺。該專用芯片雖然可完成頻率合成、混頻、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等主要功能，但基準(zhǔn)時(shí)鐘的晶體振蕩器匹配電路、第一級中頻濾波電路和第二級中頻濾波電路由片外完成，必須自行設(shè)計(jì)。第三級中頻濾波器為片上濾波器,濾波在片內(nèi)完成，其輸出中心頻率為4.309 MHz 的中頻信號。
1. 2 第一級中頻濾波電路設(shè)計(jì)
GP2010 進(jìn)行三級下變頻時(shí)，本振信號混頻會(huì)同時(shí)產(chǎn)生衛(wèi)星信號的上邊帶和下邊帶，在混頻器之后采用三級中頻帶通濾波器選擇下邊帶，濾去上邊帶和漏進(jìn)來的信號，利用三級優(yōu)化濾波來提高接收機(jī)抗干擾能力。
GP2010 的第一級下變頻將衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號由1 575. 42 MHz下變頻為175. 42 MHz。第一級中頻濾波器放置在一級變頻的輸出端和二級變頻的輸入端，達(dá)到對一級中頻進(jìn)入二級混頻時(shí)的干擾信號、二級中頻的鏡頻干擾信號以及射頻的鏡頻干擾進(jìn)行有效濾除。當(dāng)然這些都能通過RF 濾波器來進(jìn)行消除，但根據(jù)Zarlink 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)資料要求，仍然推薦使用第一級的中頻濾波器。GP2010 的第一級混頻輸入需要DC 偏移來實(shí)現(xiàn)最大的中頻信號處理空間，通常第一級中頻濾波應(yīng)該包含一個(gè)DC 連接，它通過1 只上拉電感器來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)考慮到從第一級到第二級的信號之間存在交流耦合，因此對路徑進(jìn)行交流去耦，在設(shè)計(jì)中交流去耦電路采用了兩個(gè)帶有諧振器的耦合可調(diào)的IC 濾波器完成。第一級中頻濾波器的電路原理圖如圖1 所示。
圖1 第一級中頻濾波電路示意圖
1. 3 第二級中頻濾波器的設(shè)計(jì)
第二級濾波器串接在二級混頻后的中頻輸出與三級混頻的輸入之間，以達(dá)到對二級混頻輸出的中頻信號進(jìn)行濾波，減小對三級混頻的干擾。由二級混頻輸出差頻信號的特點(diǎn)可知，要求該級濾波器的中心頻率應(yīng)為35. 42 MHz，帶寬為±1 MHz。根據(jù)Zar link 半導(dǎo)體公司有關(guān)GP2010 相關(guān)資料要求，該濾波器插入損耗1. 4~ 1. 8 dB 之間，帶寬為2 MHz，同時(shí)對帶外信號至少要求20 dB 的衰減。第二級中頻濾波器的電路原理圖如圖2 所示。
圖2 第二級中頻濾波器電路示意圖
2 GPS 射頻前端實(shí)際電路板
設(shè)計(jì)成功的GPS 射頻前端實(shí)物如圖3 和圖4 所示。該電路扳的接口共有4 個(gè)，分別為: 電源接口、RF輸入接口、中頻輸出接門以及基帶處理器連接接口。各端口描述如下。
( 1) 電源接口: 外接5 V 的直流電壓，經(jīng)LM1117電源模塊輸出給GP2010 及天線3.3 V 的工作電壓。
( 2) RF 輸入接口: 接前面設(shè)計(jì)的有源天線。
( 3) 中頻輸出接口: 該接口輸出4.309 MHz 的模擬中頻信號，其直流偏置電壓約為1. 7 V。
( 4) 基帶處理器連接接口: 該接口有14 個(gè)管腳，該端口主要輸出量化的數(shù)字中頻信號以及其他控制信號,同時(shí)，5.714 MHz 的采樣信號也通過該端口進(jìn)入GP2010。
圖3 接收機(jī)前端電路板( 正面)
圖4 接收機(jī)前端電路板( 底面)
3 前端測試結(jié)果與分析
為了定性了解所設(shè)計(jì)的GPS 射頻前端性能，需要對其進(jìn)行主要指標(biāo)測試，包括下面幾個(gè)部分: 一為輸入端口駐波比測試; 二為射頻前端變頻能力測試; 三為射頻前端整體增益測試; 四為射頻前端整體噪聲系數(shù)測試。但是由于實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，所以只對電路板的前端變頻能力和整體增益進(jìn)行測試，下面分別給出測試平臺結(jié)構(gòu)及測試結(jié)果。
3. 1 射頻前端變頻能力測試
通過GT 201 掃頻儀輸出一個(gè)正弦信號，用AT6030D 頻譜分析儀測量各級的輸出頻率。由于掃頻儀比較難調(diào)出一個(gè)精確的1 575. 42 MHz 的信號，只能調(diào)出附近值，本次實(shí)驗(yàn)輸出信號頻率為1 575.25 MHz。
射頻信號經(jīng)過第一級混頻器和1 400 MHz 的本振信號進(jìn)行混頻，輸出的第一中頻理論值應(yīng)為175. 25 MHz,實(shí)際測量值為175. 57 MHz，可以看出測量值和理論值基本上差不多。第一中頻信號進(jìn)入第二級混頻器，本振信號為140 MHz，第二中頻理論值應(yīng)為35. 57 MHz，實(shí)測值也是35. 57 MHz。第二中頻再進(jìn)入第三級混頻器，第三級混頻的本振信號為31. 11 MH z，那么第三中頻輸出的理論值為4. 46 MHz，實(shí)測為4. 42 MHz，各級頻率如表1 所示。
表1 各級頻率理論值和實(shí)測值
3. 2 增益測試
由于該射頻前端的射頻輸入端口阻抗為50Ω，而GP2010 的模擬中頻輸出端口的阻抗非50Ω，為1 000 Ω 。因此，增益的大小只能通過電壓的增益來判斷。輸入射頻信號由信號發(fā)生器輸出，如圖5 所示，中頻模擬信號的輸出幅度由DS1102CA 示波囂進(jìn)行測量，如圖6 所示。通過對比射頻輸入信號和中頻輸出信號的電壓幅度可以得到整個(gè)前端的增益。
圖5 射頻輸入信號
從圖5 可以看出，GPS 射頻前端的信號功率為- 90 dBm，轉(zhuǎn)化為電壓是7. 07 uV 。由圖6 示波器測試得到的射頻前端中頻輸出端口波形可以看出，此時(shí)的信號幅度為22 mV，通過計(jì)算信號前后的電壓增益，可知前端的整體增益大致為70 dB。如果再加上整個(gè)射頻電纜的損耗，那么整個(gè)前端的增益差不多為72 dB。
圖6 中頻信號輸出
4 結(jié) 語
該設(shè)計(jì)對硬件電路板、測試過程以及結(jié)果進(jìn)行了分析，主要測試了變頻結(jié)果和整體增益大小，從測試結(jié)果可以得出: 設(shè)計(jì)得到的GPS 射頻前端可以比較好地完成下變頻，而對于放大部分，由于實(shí)驗(yàn)儀器的限制，只能測試到72 dBm，這些寶貴的數(shù)據(jù)，對于進(jìn)一步對GPS前端系統(tǒng)的研究將起到重要的作用。