基于ARM核的GPS接收機的設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言

全球定位系統(tǒng)(GPS)作為一種成熟的導(dǎo)航定位技術(shù),以其全天候、高精度、自動化、高效率等顯著特點及所獨具的定位導(dǎo)航、授時授頻、精密測量等多方面的強大功能，使其用途越來越廣泛。傳統(tǒng)的使用8位單片機設(shè)計的GPS接收機，在數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)性能提升以及功能擴展等方面存在較大的不足。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，以ARM為代表的32位微處理器憑借其高性能、低功耗、低成本、體積小等優(yōu)點，在現(xiàn)實中獲得了廣泛的應(yīng)用。

本文介紹了一種GPS接收機的整體設(shè)計方案,該方案采用Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600和ATR0620芯片。其中ATR0600芯片作為接收機的射頻前端，內(nèi)嵌ARM7TDMI處理器核的ATR0620芯片作為接收機的數(shù)字基帶處理器。該方案具有低功耗、高性能、尺寸小、成本低的特點。

1 GPS接收機的基本組成

GPS接收機的主要任務(wù)是跟蹤可見GPS衛(wèi)星，對接收到的衛(wèi)星無線電信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后獲得定位所需的測量值和導(dǎo)航信息，最后完成對用戶的定位運算和可能的導(dǎo)航任務(wù)。GPS接收機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿其工作流程的先后順序，通常分為射頻（RF）前端處理、基帶數(shù)字信號處理（DSP）和定位導(dǎo)航運算三大功能模塊。其基本組成如圖1所示：

2 GPS接收機的硬件設(shè)計

衛(wèi)星信號由天線接收,直接進入射頻前端。射頻前端具有變頻作用，將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號。中頻信號經(jīng)采樣信號采樣、量化后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號。數(shù)字中頻信號進入基帶數(shù)字處理器，基帶數(shù)字處理器完成衛(wèi)星信號的處理后，解調(diào)出導(dǎo)航電文，進行相應(yīng)的處理后給出所需的定位信息或提供特定的應(yīng)用服務(wù)。

2.1 接收天線

接收天線是GPS接收機處理衛(wèi)星信號的首個器件,它將接收到的GPS衛(wèi)星所發(fā)射的電磁波信號轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號,以供接收機射頻前端攝取與處理。因為GPS接收機賴以定位的信息基本上全部來自于天線接收到的GPS衛(wèi)星信號，所以接收天線的性能直接影響著整個接收機的定位性能，它對接收機所起的作用與貢獻絕對不容忽視。

對GPS接收機天線的主要技術(shù)要求是：接收頻率為1575.42MHz的L1信號；為了與接收到的GPS衛(wèi)星信號的極化方式相匹配，從而提高接收效率，接收天線以右旋圓極化的方式工作；強度微弱的GPS衛(wèi)星信號應(yīng)當(dāng)盡可能地先在緊靠天線的一端得到功率放大，以改善整個接收系統(tǒng)的噪聲性能，接收機采用內(nèi)置低噪聲放大器（LAN）的有源天線；電線饋線的阻抗為50 。綜上所述，本文采用靈敏度高的豎直形狀的四螺旋天線，且在工作時將天線采用外置的形式。

2.2 基于ATR0600的射頻前端電路設(shè)計

射頻(RF)前端模塊位于接收機天線與基帶數(shù)字信號處理模塊之間,它通過天線接收所有可見GPS衛(wèi)星信號,經(jīng)前置濾波器和前置放大器的濾波放大后,再與本機振蕩器產(chǎn)生的正弦波本振信號進行混頻而下變頻成中頻(IF)信號,最后經(jīng)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將中頻信號離散成包含GPS信號成分的、頻率較低的數(shù)字中頻信號，并在此過程中進行必要的濾波和增益控制。
本設(shè)計中射頻前端主要由Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600芯片及外圍濾波電路構(gòu)成，它是一個GPS接收機射頻前端IC芯片，采用單IF結(jié)構(gòu)，芯片上包含有混頻器、IF放大器、2bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、晶體振蕩器等電路，芯片具有極高的集成度，很小的功耗（約50w）。

ATR0600通過外部的天線接收1575.42MHz的L1 GPS信號，經(jīng)過低噪聲放大器LNA進行第1級濾波、放大后，被外部SAW濾波器進行鏡像抑制和對1800MHz GSM頻帶信號進行隔離。該信號與基準頻率為23.104 MHz的本振信號進行混頻,混頻器將GPS信號下變頻到97.76MHz中頻?；祛l后，該信號經(jīng)過LC帶通濾波器和可變益放大器（VGA），與片上集成的中頻帶通濾波器組合，完成對GSM干擾信號的濾波。VGA輸出驅(qū)動集成的1.5bitA/D轉(zhuǎn)換器，將中頻信號轉(zhuǎn)化成4.35MHz的數(shù)字中頻信號。