基于GP2010的移動GPS射頻前端設計

摘要：對GPS射頻前端進行了研究與設計，實現(xiàn)了GPS信號射頻到數(shù)字中頻的轉化過程。應用GP2010芯片設計出了符合要求的GPS射頻前端，包括前端濾波器、低噪聲放大器，以及中頻濾波器。介紹測試系統(tǒng)的搭建，對實際制作的電路板進行調試，并得出測試結果，為后期基于FPGA實現(xiàn)GPS基帶數(shù)字信號處理提供GPS數(shù)字中頻信號，為自主設計GPS接收機奠定了基礎。
關鍵詞：GPS接收機；射頻前端；GP2010；低噪聲放大器

0 引言
GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是由美國國防部于1973年提出，歷時20年建立起來的新一代精密衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。 GPS作為一種全球性、全天候的連續(xù)、實時定位系統(tǒng)，具有在海陸空進行全方位、實時、三維導航與定位的能力，能為用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置、速度和時間基準。
目前，我國正在實施北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Bei Dou (COMPASS)Navigation Satel-lite System)建設工作，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)星導航系統(tǒng)。按照建設規(guī)劃，在2012年前后，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將首先提供覆蓋亞太地區(qū)的導航、授時和短報文通信服務能力。在2020年前后，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。長期以來，我國GPS接收機以國外引進為主，大多數(shù)接收機還都是基于國外的GPS專用處理芯片，不僅價格昂貴，而且性能上受到國外技術限制，無法滿足軍事等領域的要求。由此可見，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的GPS數(shù)字接收機具有戰(zhàn)略意義，自主開發(fā)GPS接收機不僅可以突破國外的技術限制，使GPS接收機適用于高動態(tài)、實時性要求較高的環(huán)境中，而且可以為開發(fā)“北斗”導航定位接收機，促進“北斗”導航定位系統(tǒng)的發(fā)展提供技術支持和積累寶貴經(jīng)驗。本文主要介紹以GP2010為核心的GPS前端系統(tǒng)的設計。

1 移動GPS前端整體設計
該設計是圍繞Zarlink公司的專用芯片GP2010進行的，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，進入GP2010芯片。通過三級下變頻，經(jīng)過放大、濾波等調整后將射頻信號轉換為中頻信號，然后由兩比特模數(shù)采樣器轉換為數(shù)字信號，以便后續(xù)基帶電路進行相關處理。
1．1 前端射頻信號處理模塊GP2010
GP2010是Zarlink半導體公司生產(chǎn)的GPS接收機射頻前端專用芯片，提供了一個低功率、低成本和高可靠性的GPS射頻前端解決方案。該芯片采用TQFP44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)中設計的下變頻方案，從而實現(xiàn)射頻信號到數(shù)字中頻信號的轉換。
GP2010包括片上頻率合成器、分頻器、混頻器、自動增益控制器(AGC)和一個提供符號與量級數(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，即可構成一個完整的GPS接收機射頻前端電路。該專用芯片可與zarlink公司生產(chǎn)的12通道數(shù)字相關器GP2021相關器或GP4020基帶處理器配套使用，組成一個完整的GPS接收機硬件平臺。該專用芯片雖然可完成頻率合成、混頻、濾波以及模數(shù)轉換等主要功能，但基準時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，必須自行設計。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計
GP2010進行三級下變頻時，本振信號混頻會同時產(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，濾去上邊帶和漏進來的信號，利用三級優(yōu)化濾波來提高接收機抗干擾能力。GP2010的第一級下變頻將衛(wèi)星導航定位信號由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，達到對一級中頻進入二級混頻時的干擾信號、二級中頻的鏡頻干擾信號以及射頻的鏡頻干擾進行有效濾除。當然這些都能通過RF濾波器來進行消除，但根據(jù)Zarlink半導體公司生產(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，因此對路徑進行交流去耦，在設計中交流去耦電路采用了兩個帶有諧振器的耦合可調的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。