膝上型PC借助通用GPS RF前端實(shí)現(xiàn)軟件基帶處理

近來，通信和導(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(qiáng)大的CPU和DSP能夠通過軟件對GPS信號進(jìn)行實(shí)時檢測和解碼。這些基于軟件的GPS接收機(jī)具有相當(dāng)強(qiáng)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(jìn)一步的系統(tǒng)升級。

利用MAX2769 GPS接收機(jī)RF前端芯片，簡單的USB DONGLE或PCI Express?(PCIe?)迷你卡就可以為膝上型 PC增加低成本的GPS 功能。MAX2769將接收到的原 始數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C主機(jī)，PC主機(jī)利用軟件實(shí)現(xiàn)基帶解 碼，從而省去了單機(jī)GPS系統(tǒng)所需要的基帶ASIC的成 本。簡單的說，MAX2769使設(shè)計人員可以利用單芯 片實(shí)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，并詳細(xì)描述了 Maxim的基于軟件的GPS接收機(jī)方案。

GPS信號發(fā)生器

GPS系統(tǒng)包含24顆空間衛(wèi)星或空間運(yùn)載器、地面控制站以及用戶設(shè)備(接收機(jī))。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(jìn)行通信。3 GPS 接收機(jī)必須捕獲到至少四顆衛(wèi)星的信號才能進(jìn)行可靠 定位，信號捕獲和跟蹤非常復(fù)雜，因?yàn)槊款w衛(wèi)星和接 收機(jī)的位置時刻都在變化。

GPS系統(tǒng)實(shí)際上是一個簡單的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。4 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(jī)噪聲(PRN)碼的碼速) 的唯一粗/ 捕獲碼( C / A ) 進(jìn)行擴(kuò)頻， 形成 1.023Mcps的基帶信號。此用這種擴(kuò)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。5 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通信系統(tǒng)，如WCDMA和cdma2000??；鶐?號經(jīng)過二元相移鍵控(BPSK)調(diào)制后被上變頻到L1波 段進(jìn)行傳輸。

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

信號取樣方法分析

因?yàn)镚PS是一種CDMA通信系統(tǒng)，所以作為解調(diào)數(shù)據(jù) 的先決條件，接收機(jī)必須與PRN碼進(jìn)行同步。實(shí)現(xiàn)代 碼同步通常需要兩個步驟：用來實(shí)現(xiàn)粗對準(zhǔn)的代碼捕 獲和用來實(shí)現(xiàn)精細(xì)對準(zhǔn)的代碼相位跟蹤。6 更明確地 講，GPS接收機(jī)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，由捕獲過程判斷信號 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(jī)的速度，接 收信號的頻率一般會偏移標(biāo)稱值5kHz到10kHz。

在接受器端，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-Q相關(guān)器將I/Q基帶信號 與本地PRN序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)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。

只要判定變量超過一定的門限，系統(tǒng)就認(rèn)為成功地實(shí) 現(xiàn)了捕獲，繼而進(jìn)入跟蹤模式。否則，就通過調(diào)節(jié)本 地PRN序列的相對相位和振蕩器頻率，來更新判定變 量，并重復(fù)上述過程。

串行搜索方法的簡單邏輯結(jié)構(gòu)使它非常適合用ASIC 實(shí)現(xiàn)，而用軟件實(shí)現(xiàn)就不切實(shí)際了，因?yàn)樗阉骺臻g非 常大。假設(shè)系統(tǒng)允許500Hz的載波頻率偏移，多普勒 頻率是10kHz，軟件實(shí)現(xiàn)需要的搜索空間大概為 2 x (10,000/500) x 1023 = 40,920。很明顯，用軟件實(shí)現(xiàn)串行搜索捕獲比較困難。

另外一種更簡單的軟件捕獲方法叫做頻域并行代碼相位捕獲。這種方法將多普勒頻率和代碼相位搜索合并起來，在經(jīng)過PRN碼的快速傅立葉變換(FFT)后，將所有代碼相位信息轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)。這樣我們只需要搜索多普勒頻移上的空間即可，因此這是一種快速高效的軟件搜索方法。

首先，將輸入信號與本地正弦和余弦載波(同向I和正交Q信號分量)分別相乘。然后把I和Q分量合并成一個復(fù)合信號輸入到FFT模塊。傅立葉變換的結(jié) 果再和PRN碼的FFT變換結(jié)果相乘(PRN生成器產(chǎn)生代碼相位為零的代碼)。實(shí)際上，F(xiàn)FT運(yùn)算和PRN碼的產(chǎn)生可以采用列表的方法，以降低運(yùn)算的復(fù)雜 性。

最后，輸入信號與本地代碼的乘積(該乘積代表了輸入信號和載波頻率的相關(guān)性)被送到傅立葉逆變換模塊，該模塊的自乘輸出結(jié)果再被反饋到判定邏輯?；?于FFT的頻域計算被證實(shí)具有較小的運(yùn)算量。例如之前提到的那個例子， 捕獲運(yùn)算的復(fù)雜性大概為20,000/500 = 40個FFT運(yùn)算操作。

串行搜索方法具有簡單的邏輯和控制架構(gòu)，非常適合ASIC實(shí)現(xiàn)。然而，巨大的搜索空間增加了軟件算法的復(fù)雜性。所以對于軟件GPS接收機(jī)來說，串行 搜索方法并不是一個好的選擇。相反，并行代碼捕獲方法的低復(fù)雜性使它很適合用軟件實(shí)現(xiàn)。然而，它的邏輯架構(gòu)遠(yuǎn)比串行搜索方法復(fù)雜，因此很難用ASIC實(shí) 現(xiàn)。

跟蹤細(xì)調(diào)

捕獲過程建立了對GPS信號的頻率和代碼相位參數(shù)的粗校準(zhǔn)。因此，跟蹤的目的是進(jìn)行細(xì)調(diào)，以便系統(tǒng)能用精確的代碼相位和頻率信息解調(diào)出數(shù)據(jù)。跟蹤包括代碼相位跟蹤和載波頻率跟蹤。

代碼跟蹤用延時鎖相環(huán)(DLL)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。DLL電路把輸入信號乘以PRN碼的三個復(fù)制碼(間隔±0.5碼片)，這三個復(fù)制碼分別代表和輸 入信號相比提前、準(zhǔn)時和落后到達(dá)。經(jīng)過綜合后，這些信號分別代表輸入信號和本地復(fù)制碼之間的相關(guān)性。具有最高相關(guān)值的信號被選中保留下來(圖3)。

載波頻率跟蹤由鎖相環(huán)(PLL)或者Costas環(huán)路完成。8載波跟蹤的目的是把本地頻率調(diào)節(jié)為輸入信號的實(shí)際頻率。

當(dāng)捕獲和跟蹤過程建立起初始同步后，系統(tǒng)能夠解碼出導(dǎo)航比特。將1.023Mcps的輸入信號解擴(kuò)為1000bps的比特流后就開始解調(diào)數(shù)據(jù)。然后 利用比特同步從1000bps的數(shù)據(jù)流中恢復(fù)出50bps的信息。比特同步需要通過尋找零交叉沿(0V)來識別比特流的起始位置。

如果這個交叉沿是已知的，我們可以用20ms的間隔分割1000bps輸入流，因?yàn)閷?dǎo)航數(shù)據(jù)信息(50位)的持續(xù)時間為20ms。最后，以20ms間隔排列的比特取樣累加起來取平均值，從而解碼出導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

圖2. 使用延時鎖相環(huán)作代碼跟蹤幫助細(xì)調(diào)，以便系統(tǒng)能用精確的代碼相位和頻率信息解調(diào)出數(shù)據(jù)。

圖3. DLL電路把輸入信號乘以PRN碼的三個復(fù)制碼(間隔±0.5碼)，這三個復(fù)制碼分別代表和輸入信號相比提前、準(zhǔn)時和落后到達(dá)。具有最高相關(guān)值的信號被選中保留下來。

基于軟件的GPS接收機(jī)

傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)采用ASIC實(shí)現(xiàn)信號捕獲、跟蹤和位同步操作，而軟件GPS接收機(jī)用軟件代替硬件實(shí)現(xiàn)這些功能，因此具有更高的靈活性。通過簡化 硬件架構(gòu)，基于軟件的設(shè)計能夠進(jìn)一步縮小接收機(jī)尺寸，降低成本，并具有更高效率。程序可以使用C/C++、MATLAB®或其它語言編寫，并可移植到各種 操作系統(tǒng)中(嵌入式操作系統(tǒng)、PC、Linux和DSP平臺)。由此看來，軟件GPS接收機(jī)能夠?yàn)橐苿咏K端、PDA及其它類似設(shè)備提供最大的設(shè)計靈活性。

對于膝上型電腦，設(shè)計人員可以設(shè)計USB dongle (可配合任何帶USB端口的膝上型電腦一起工作)。對于新一代帶有PCIe迷你卡連接器的膝上型電腦，可以把RF前端置于PCIe迷你卡上，并把它插入 PC內(nèi)部(圖4a，圖4b)。PCIe迷你卡接口包含一個USB口，因此，前端適配器設(shè)計對于USB和PCIe迷你卡而言非常相似。

主要區(qū)別在于：支持PCIe需要不同的電源管理邏輯電壓，需要處理不同的直流電壓(PCIe為3.3V，外部USB端口為5V)。

從圖5b所示USB dongle框圖可以看出該方案非常簡單，只使用了一個通用GPS接收器MAX2769、一個計數(shù)器和USB接口控制器，即可捕獲信號，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號，最終傳遞給PC主機(jī)。然后，通過運(yùn)行PC主機(jī)軟件執(zhí)行所有基帶功能，將定位信息顯示在PC 顯示器上。這樣，筆記本PC 便成了一個強(qiáng)大的GPS設(shè)備，可支持導(dǎo)航和基于定位的服務(wù)。

GPS前端通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)USB 2.0接口把數(shù)字化的IF數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦。軟件基帶程序利用輸入數(shù)據(jù)計算出位置方位并隨后執(zhí)行跟蹤過程。Geotate是可選的一個軟件來源。

為提供通用接口，此軟件能創(chuàng)建一個虛擬COM端口，使其可以連接到很多現(xiàn)有的導(dǎo)航和定位應(yīng)用。大部分GPS軟件包接口符合NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)，通常都可以運(yùn)行在Microsoft的Windows® XP和Windows VistaTM操作系統(tǒng)中。另外，此軟件能夠處理所有可得的輔助數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)可以從工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議或者用戶專有的接口取得。

當(dāng)前的膝上型電腦里所帶的CPU均具備滿足軟件GPS接收機(jī)實(shí)時解碼所需的運(yùn)算能力。當(dāng)在1GHz Pentium®M系統(tǒng)中，跟蹤過程中平均處理器負(fù)載大約為6%；而在2.18GHz CoreTM Duo處理器上，在執(zhí)行每秒更新時，處理器負(fù)載通常低于5%。隨著算法的發(fā)展，有可能把CPU的使用率降低到2%以下。

電路工作和性能

基于軟件的GPS接收機(jī)RF前端首先使用低噪聲放大器(LNA)放大微弱的輸入信號，然后經(jīng)過下變頻將信號轉(zhuǎn)換到較低頻率(4MHz左右)的IF (圖5a)。下變頻器采用一路或兩路混頻器對輸入RF信號和本機(jī)振蕩器信號進(jìn)行混頻，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)把生成的模擬IF信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字IF信 號。

MAX2769將所有功能電路(LNA、混頻器和ADC)集成到一起，可大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間。該芯片提供了兩個LNA：其中一個LNA具有低至 0.9dB的噪聲系數(shù)、19dB 增益、-1dBm的IP3，可配合無源天線使用；另一個LNA則具有1.5dB的噪聲系數(shù)、較低增益/功耗和較高的IP3，可配合有源天線使用。2.8V 供電時，消耗的電流最小，且僅為13至18mA，具體取決于電路配置。

圖4. 針對USB dongle (a)、PCIe迷你卡(b)的典型適配器結(jié)構(gòu)，為兩種方案均可提供了簡單、低成本的設(shè)計。

RF端，在放大器之后通常使用外部RF濾波器。然后使用集成的20位，Σ-Δ N分頻合成器和15位整數(shù)分頻器將信號直接下變頻到0至12MHz所要求的IF頻率。IF濾波器的選擇范圍較廣，可以適應(yīng)不同的架構(gòu)，例如Galileo。

從RF輸入至IF輸出的總增益能夠在60至115dB范圍內(nèi)調(diào)節(jié)或進(jìn)行自動控制。輸出可以選擇為模擬、CMOS或有限差分。內(nèi)部ADC具有可設(shè)置的一到三位輸出。集成參考時鐘振蕩器可以使用晶體或溫補(bǔ)晶振(TCXO)，也可以使用8至44MHz頻率范圍的輸入?yún)⒖紩r鐘。

我們利用MAX2769和工作在24MHz參考時鐘的CypressSemiconductor的USB控制器構(gòu)建了一個簡單的USBd o n g l e 參考設(shè)計(如圖5 b 所示)。該設(shè)計利用一路MAX8510 LDO調(diào)節(jié)直流電源。通過3線(SPITM)數(shù)字總線對MAX2769的寄存器進(jìn)行編程。系統(tǒng)也可以在沒有SPI控制的情況下工作在八種硬件模式的任意一 種。

芯片內(nèi)的電路對有源天線進(jìn)行偏置，關(guān)斷模式下將天線關(guān)閉，滿足USB規(guī)范。MAX2769能夠檢測到天線電源是否有電流消耗，并自動切換LNA1和 LNA2，對于能夠插入靈敏度更高的有源天線替代無源天線的應(yīng)用，這是一個非常理想的功能。設(shè)計人員只需要把外部天線端口連接到LNA2，把內(nèi)部端口連接 到LNA1。

插入外部天線時，MAX2769將檢測到吸電流，可自動由LNA1切換到LNA2。

MAX2769為膝上型電腦、手機(jī)、PDA和汽車應(yīng)用提供了一個高性能、緊湊的解決方案。利用已經(jīng)商用化的GPS軟件包，115dB的總電壓增益和1.4dB的模塊噪聲系數(shù)能夠達(dá)到-143dBm 的捕獲靈敏度和-154dBm的跟蹤靈敏度。

結(jié)論

軟件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)簡單的、低成本GPS應(yīng)用。為支持這些可能性，MAX2769為軟件GPS接收機(jī)和傳統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方法提供靈活的頻率規(guī)劃。當(dāng)然，每 種方案都有正反面—軟件GPS接收機(jī)需要高性能的處理器和適量的內(nèi)存。然而，隨著軟件的發(fā)展，對時鐘、數(shù)據(jù)更新速率進(jìn)行合理的選擇，需要的內(nèi)存可以最小 化。

圖5. (a)軟件GPS接收機(jī)中，需要對捕獲的RF信號進(jìn)行放大、變頻、數(shù)字化。(b)實(shí)際接收機(jī)中，低噪聲放大器對RF信號進(jìn)行放大，MAX2769對放大后的信號進(jìn)行變頻和數(shù)字化處理。然后，通過計數(shù)器和USB接口控制器將數(shù)據(jù)按照USB協(xié)議傳輸給PC主機(jī)。