全球定位系統(tǒng)信號(hào)接收機(jī)射頻模塊的設(shè)計(jì)

    作者：伍蔡倫，李世義，王定全

    摘要：主要以研究gps接收機(jī)為目的，以zarlink公司的gp2015型電路為核心進(jìn)行g(shù)ps射頻前端設(shè)計(jì)，其中主要包括二級(jí)濾波器和晶體振蕩器等外圍電路的設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵是計(jì)算濾波網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以匹配帶寬要求及整個(gè)電路的布局。對后端的相關(guān)和定位解算進(jìn)行了相應(yīng)的介紹，整個(gè)模塊在gps接收機(jī)中相對獨(dú)立，可以作為獨(dú)立的部分來設(shè)計(jì)。

    關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng)；gps接收機(jī)；射頻；gp2015；設(shè)計(jì)

    中圖分類號(hào)：tn927+，21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1006-6977（2006）01-0025-03

    1 引言

    典型的gps接收機(jī)主要由4部分組成：天線、射頻前端、相關(guān)器和導(dǎo)航解算部分。其中，天線主要負(fù)責(zé)信號(hào)的接收；射頻前端負(fù)責(zé)信號(hào)的下變頻，在當(dāng)前的數(shù)字化接收機(jī)中還包括a/d轉(zhuǎn)換，它是所有后端處理的基礎(chǔ)，其信號(hào)的品質(zhì)直接影響接收機(jī)的性能，相關(guān)器主要負(fù)責(zé)信號(hào)跟蹤與鎖定的硬件部分，包括各種原始數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的輸出，并傳輸給微處理器；導(dǎo)航解算部分主要負(fù)責(zé)信號(hào)的跟蹤和鎖定的軟件部分、數(shù)據(jù)的解調(diào)、偽距的提取以及導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解算，它的處理基礎(chǔ)是相關(guān)器，所有的原始數(shù)據(jù)來自相關(guān)器。

    2 gp2015及其外圍電路

    gp2015是zarlink半導(dǎo)體公司的超小型射頻前端器件，它包含除中頻濾波器外的所有從天線接收的l1頻段信號(hào)到兩位數(shù)字信號(hào)的模塊。其中，中頻濾波在片外，分別由一個(gè)157.42mhz濾波器和一個(gè)35.42mhz聲表面濾波器組成，包含在vco（壓控振蕩器）中的片上pll用于產(chǎn)生一個(gè)本地的振蕩頻率來提供給混頻器，它的參考信號(hào)是來自溫度補(bǔ)償晶振（tcxo）的10.000mhz。

    dynex dw9255是聲表面波帶通濾波器，用它對gps信號(hào)擴(kuò)頻信號(hào)的窄帶寬進(jìn)行濾波，在使用之前應(yīng)該預(yù)先調(diào)到gps二級(jí)中頻的準(zhǔn)確頻段35.42mhz和1.9mhz的帶寬。濾波器通帶的弱衰減性和阻帶的強(qiáng)衰減性有助于改進(jìn)gp2015的抗干擾性。

    gp4020是完整的基于gps接收機(jī)的數(shù)字基帶處理器，它由一個(gè)12通道的相關(guān)器和帶arm7tdmi核的微處理器組成。其中，相關(guān)器包含12個(gè)獨(dú)立通道的跟蹤模塊，每個(gè)模塊包含所有的跟蹤和鎖定gps信號(hào)的模塊，不是每個(gè)通道都必須在跟蹤的時(shí)候激活，這樣可以減少電源的消耗，微處理器部分包含螢火蟲mf1微控制器。它采用了arm7tdmi核，帶有thumb的指令集，還包含uart串行接口、通用i/o和看門狗的功能。

    在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，射頻部分的設(shè)計(jì)是基礎(chǔ)，它的良好實(shí)現(xiàn)才能保證以后部分的正確定位信息的輸出。文中主要針對gp2015的設(shè)計(jì)，討論gps接收機(jī)射頻模塊的實(shí)現(xiàn)過程。

    3 gp2015射頻模塊的設(shè)計(jì)

    本設(shè)計(jì)選用的gp2015有48個(gè)引腳，采用tqfp封裝，工作電壓是3v至5v，在3v的工作電壓下，功耗只有200mw，帶有片上鎖相環(huán)。該電路完成下變頻和a/d轉(zhuǎn)換的功能。在該模塊的設(shè)計(jì)中，除了電路本身完成的功能外，還需在中頻變換中加入濾波器。

    3.1 高頻信號(hào)在電路板中的走線設(shè)計(jì)

    高頻信號(hào)在電路板上的布局一般采用微波傳輸帶的方法，就是在一定寬度和厚度的絕緣基上的一條導(dǎo)體傳輸帶，絕緣基將傳輸帶與地分割開來，因?yàn)槲⒉▊鬏攷е車慕^緣基都是一個(gè)不連續(xù)的空氣和絕緣基的混合體，所以信號(hào)的傳輸都受邊緣區(qū)域的影響，微波傳輸帶特征阻抗的計(jì)算是很復(fù)雜的，但是能夠通過一定的條件來簡化。

    在gps接收機(jī)的設(shè)計(jì)中，電路板是4層，厚度為1.6mm，其中接地層在第2層。除每層35μm的銅線外，絕緣基大概有1.45mm厚，在4層信號(hào)連接層中，第2層和第3層都在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，為了保持每層都占有相同的空間，將絕緣基設(shè)計(jì)為兩塊（0.5mm厚），一塊對0.45mm厚（位于中間）。根據(jù)微波傳輸?shù)挠?jì)算公式，微波帶大概應(yīng)該有 0.8mm的寬度，50ω的特征阻抗。

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