全球定位系统信号接收机射频模块的设计

    作者：伍蔡伦，李世义，王定全

    摘要：主要以研究gps接收机为目的，以zarlink公司的gp2015型电路为核心进行gps射频前端设计，其中主要包括二级滤波器和晶体振荡器等外围电路的设计，其关键是计算滤波网络参数以匹配带宽要求及整个电路的布局。对后端的相关和定位解算进行了相应的介绍，整个模块在gps接收机中相对独立，可以作为独立的部分来设计。

    关键词：全球定位系统；gps接收机；射频；gp2015；设计

    中图分类号：tn927+，21 文献标识码：a 文章编号：1006-6977（2006）01-0025-03

    1 引言

    典型的gps接收机主要由4部分组成：天线、射频前端、相关器和导航解算部分。其中，天线主要负责信号的接收；射频前端负责信号的下变频，在当前的数字化接收机中还包括a/d转换，它是所有后端处理的基础，其信号的品质直接影响接收机的性能，相关器主要负责信号跟踪与锁定的硬件部分，包括各种原始数据和测量数据的输出，并传输给微处理器；导航解算部分主要负责信号的跟踪和锁定的软件部分、数据的解调、伪距的提取以及导航数据的解算，它的处理基础是相关器，所有的原始数据来自相关器。

    2 gp2015及其外围电路

    gp2015是zarlink半导体公司的超小型射频前端器件，它包含除中频滤波器外的所有从天线接收的l1频段信号到两位数字信号的模块。其中，中频滤波在片外，分别由一个157.42mhz滤波器和一个35.42mhz声表面滤波器组成，包含在vco（压控振荡器）中的片上pll用于产生一个本地的振荡频率来提供给混频器，它的参考信号是来自温度补偿晶振（tcxo）的10.000mhz。

    dynex dw9255是声表面波带通滤波器，用它对gps信号扩频信号的窄带宽进行滤波，在使用之前应该预先调到gps二级中频的准确频段35.42mhz和1.9mhz的带宽。滤波器通带的弱衰减性和阻带的强衰减性有助于改进gp2015的抗干扰性。

    gp4020是完整的基于gps接收机的数字基带处理器，它由一个12通道的相关器和带arm7tdmi核的微处理器组成。其中，相关器包含12个独立通道的跟踪模块，每个模块包含所有的跟踪和锁定gps信号的模块，不是每个通道都必须在跟踪的时候激活，这样可以减少电源的消耗，微处理器部分包含萤火虫mf1微控制器。它采用了arm7tdmi核，带有thumb的指令集，还包含uart串行接口、通用i/o和看门狗的功能。

    在整个设计过程中，射频部分的设计是基础，它的良好实现才能保证以后部分的正确定位信息的输出。文中主要针对gp2015的设计，讨论gps接收机射频模块的实现过程。

    3 gp2015射频模块的设计

    本设计选用的gp2015有48个引脚，采用tqfp封装，工作电压是3v至5v，在3v的工作电压下，功耗只有200mw，带有片上锁相环。该电路完成下变频和a/d转换的功能。在该模块的设计中，除了电路本身完成的功能外，还需在中频变换中加入滤波器。

    3.1 高频信号在电路板中的走线设计

    高频信号在电路板上的布局一般采用微波传输带的方法，就是在一定宽度和厚度的绝缘基上的一条导体传输带，绝缘基将传输带与地分割开来，因为微波传输带周围的绝缘基都是一个不连续的空气和绝缘基的混合体，所以信号的传输都受边缘区域的影响，微波传输带特征阻抗的计算是很复杂的，但是能够通过一定的条件来简化。

    在gps接收机的设计中，电路板是4层，厚度为1.6mm，其中接地层在第2层。除每层35μm的铜线外，绝缘基大概有1.45mm厚，在4层信号连接层中，第2层和第3层都在内部实现，为了保持每层都占有相同的空间，将绝缘基设计为两块（0.5mm厚），一块对0.45mm厚（位于中间）。根据微波传输的计算公式，微波带大概应该有 0.8mm的宽度，50ω的特征阻抗。

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