摘要：對(duì)GPS射頻前端進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了GPS信號(hào)射頻到數(shù)字中頻的轉(zhuǎn)化過(guò)程。應(yīng)用GP2010芯片設(shè)計(jì)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(cè)試系統(tǒng)的搭建，對(duì)實(shí)際制作的電路板進(jìn)行調(diào)試，并得出測(cè)試結(jié)果，為后期基于FPGA實(shí)現(xiàn)GPS基帶數(shù)字信號(hào)處理提供GPS數(shù)字中頻信號(hào)，為自主設(shè)計(jì)GPS接收機(jī)奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：GPS接收機(jī)；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(guó)國(guó)防部于1973年提出，歷時(shí)20年建立起來(lái)的新一代精密衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。  GPS作為一種全球性、全天候的連續(xù)、實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，具有在海陸空進(jìn)行全方位、實(shí)時(shí)、三維導(dǎo)航與定位的能力，能為用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、速度和時(shí)間基準(zhǔn)。
    目前，我國(guó)正在實(shí)施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Bei Dou (COMPASS)Navigation Satel-lite System)建設(shè)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(dǎo)航系統(tǒng)。按照建設(shè)規(guī)劃，在2012年前后，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將首先提供覆蓋亞太地區(qū)的導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)能力。在2020年前后，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)GPS接收機(jī)以國(guó)外引進(jìn)為主，大多數(shù)接收機(jī)還都是基于國(guó)外的GPS專用處理芯片，不僅價(jià)格昂貴，而且性能上受到國(guó)外技術(shù)限制，無(wú)法滿足軍事等領(lǐng)域的要求。由此可見(jiàn)，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GPS數(shù)字接收機(jī)具有戰(zhàn)略意義，自主開發(fā)GPS接收機(jī)不僅可以突破國(guó)外的技術(shù)限制，使GPS接收機(jī)適用于高動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)性要求較高的環(huán)境中，而且可以為開發(fā)“北斗”導(dǎo)航定位接收機(jī)，促進(jìn)“北斗”導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展提供技術(shù)支持和積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。本文主要介紹以GP2010為核心的GPS前端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 移動(dòng)GPS前端整體設(shè)計(jì)
    該設(shè)計(jì)是圍繞Zarlink公司的專用芯片GP2010進(jìn)行的，天線接收到GPS衛(wèi)星發(fā)射的L1頻段載波信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)無(wú)源帶通濾波器和低噪聲放大器后，進(jìn)入GP2010芯片。通過(guò)三級(jí)下變頻，經(jīng)過(guò)放大、濾波等調(diào)整后將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，然后由兩比特模數(shù)采樣器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便后續(xù)基帶電路進(jìn)行相關(guān)處理。
1．1 前端射頻信號(hào)處理模塊GP2010
    GP2010是Zarlink半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的GPS接收機(jī)射頻前端專用芯片，提供了一個(gè)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(dǎo)航定位信號(hào)，經(jīng)過(guò)無(wú)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(shè)計(jì)的下變頻方案，從而實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)到數(shù)字中頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
    GP2010包括片上頻率合成器、分頻器、混頻器、自動(dòng)增益控制器(AGC)和一個(gè)提供符號(hào)與量級(jí)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(gòu)成一個(gè)完整的GPS接收機(jī)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(guān)器GP2021相關(guān)器或GP4020基帶處理器配套使用，組成一個(gè)完整的GPS接收機(jī)硬件平臺(tái)。該專用芯片雖然可完成頻率合成、混頻、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等主要功能，但基準(zhǔn)時(shí)鐘的晶體振蕩器匹配電路、第一級(jí)中頻濾波電路和第二級(jí)中頻濾波電路由片外完成，必須自行設(shè)計(jì)。第三級(jí)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(hào)。
1．2 第一級(jí)中頻濾波電路設(shè)計(jì)
    GP2010進(jìn)行三級(jí)下變頻時(shí)，本振信號(hào)混頻會(huì)同時(shí)產(chǎn)生衛(wèi)星信號(hào)的上邊帶和下邊帶，在混頻器之后采用三級(jí)中頻帶通濾波器選擇下邊帶，濾去上邊帶和漏進(jìn)來(lái)的信號(hào)，利用三級(jí)優(yōu)化濾波來(lái)提高接收機(jī)抗干擾能力。GP2010的第一級(jí)下變頻將衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)由1 575．42 MHz下變頻為175．42 MHz。第一級(jí)中頻濾波器放置在一級(jí)變頻的輸出端和二級(jí)變頻的輸入端，達(dá)到對(duì)一級(jí)中頻進(jìn)入二級(jí)混頻時(shí)的干擾信號(hào)、二級(jí)中頻的鏡頻干擾信號(hào)以及射頻的鏡頻干擾進(jìn)行有效濾除。當(dāng)然這些都能通過(guò)RF濾波器來(lái)進(jìn)行消除，但根據(jù)Zarlink半導(dǎo)體公司生產(chǎn)資料要求，仍然推薦使用第一級(jí)的中頻濾波器。GP2010的第一級(jí)混頻輸入需要DC偏移來(lái)實(shí)現(xiàn)最大的中頻信號(hào)處理空間，通常第一級(jí)中頻濾波應(yīng)該包含一個(gè)DC連接，它通過(guò)1只上拉電感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)考慮到從第一級(jí)到第二級(jí)的信號(hào)之間存在交流耦合，因此對(duì)路徑進(jìn)行交流去耦，在設(shè)計(jì)中交流去耦電路采用了兩個(gè)帶有諧振器的耦合可調(diào)的IC濾波器完成。第一級(jí)中頻濾波器的電路原理圖如圖1所示。

1．3 第二級(jí)中頻濾波器的設(shè)計(jì)
    第二級(jí)濾波器串接在二級(jí)混頻后的中頻輸出與三級(jí)混頻的輸入之間，以達(dá)到對(duì)二級(jí)混頻輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行濾波，減小對(duì)三級(jí)混頻的干擾。由二級(jí)混頻輸出差頻信號(hào)的特點(diǎn)可知，要求該級(jí)濾波器的中心頻率應(yīng)為35．42MHz，帶寬為±1 MHz。根據(jù)Zarlink半導(dǎo)體公司有關(guān)GP2010相關(guān)資料要求，該濾波器插入損耗1．4～1．8 dB之間，帶寬為2 MHz，同時(shí)對(duì)帶外信號(hào)至少要求20 dB的衰減。第二級(jí)中頻濾波器的電路原理圖如圖2所示。

2 GPS射頻前端實(shí)際電路板
    設(shè)計(jì)成功的GPS射頻前端實(shí)物如圖3和圖4所示。該電路扳的接口共有4個(gè)，分別為：電源接口、RF輸入接口、中頻輸出接門以及基帶處理器連接接口。各端口描述如下。
    (1)電源接口：外接5 V的直流電壓，經(jīng)LM1117電源模塊輸出給GP2010及天線3．3 V的工作電壓。
    (2)RF輸入接口：接前面設(shè)計(jì)的有源天線。
    (3)中頻輸出接口：該接口輸出4．309 MHz的模擬中頻信號(hào)，其直流偏置電壓約為1．7 V。
    (4)基帶處理器連接接口：該接口有14個(gè)管腳，該端口主要輸出量化的數(shù)字中頻信號(hào)以及其他控制信號(hào)，同時(shí)，5．714 MHz的采樣信號(hào)也通過(guò)該端口進(jìn)入GP2010。

3 前端測(cè)試結(jié)果與分析
    為了定性了解所設(shè)計(jì)的GPS射頻前端性能，需要對(duì)其進(jìn)行主要指標(biāo)測(cè)試，包括下面幾個(gè)部分：一為輸入端口駐波比測(cè)試；二為射頻前端變頻能力測(cè)試；三為射頻前端整體增益測(cè)試；四為射頻前端整體噪聲系數(shù)測(cè)試。但是由于實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，所以只對(duì)電路板的前端變頻能力和整體增益進(jìn)行測(cè)試，下面分別給出測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)及測(cè)試結(jié)果。
3．1 射頻前端變頻能力測(cè)試
    通過(guò)GT-201掃頻儀輸出一個(gè)正弦信號(hào)，用AT6030D頻譜分析儀測(cè)量各級(jí)的輸出頻率。由于掃頻儀比較難調(diào)出一個(gè)精確的1 575．42 MHz的信號(hào)，只能調(diào)出附近值，本次實(shí)驗(yàn)輸出信號(hào)頻率為1 575．25 MHz。射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)第一級(jí)混頻器和1 400 MHz的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，輸出的第一中頻理論值應(yīng)為175．25MHz，實(shí)際測(cè)量值為175．57 MHz，可以看出測(cè)量值和理論值基本上差不多。第一中頻信號(hào)進(jìn)入第二級(jí)混頻器，本振信號(hào)為140MHz，第二中頻理論值應(yīng)為35.57MHz，實(shí)測(cè)值也是35.57MHz。第二中頻再進(jìn)入第三級(jí)混頻器，第三級(jí)混頻的本振信號(hào)為31.11MHz，那么第三中頻輸出的理論值為4．46 MHz，實(shí)測(cè)為4．42 MHz，各級(jí)頻率如表1所示。

3．2 增益測(cè)試
    由于該射頻前端的射頻輸入端口阻抗為50 Ω，而GP2010的模擬中頻輸出端口的阻抗非50 Ω，為1 000 Ω。因此，增益的大小只能通過(guò)電壓的增益來(lái)判斷。輸入射頻信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器輸出，如圖5所示，中頻模擬信號(hào)的輸出幅度由DS1102CA示波囂進(jìn)行測(cè)量，如圖6所示。通過(guò)對(duì)比射頻輸入信號(hào)和中頻輸出信號(hào)的電壓幅度可以得到整個(gè)前端的增益。

    從圖5可以看出，GPS射頻前端的信號(hào)功率為-90 dBm，轉(zhuǎn)化為電壓是7．07μV。由圖6示波器測(cè)試得到的射頻前端中頻輸出端口波形可以看出，此時(shí)的信號(hào)幅度為22 mV，通過(guò)計(jì)算信號(hào)前后的電壓增益，可知前端的整體增益大致為70 dB。如果再加上整個(gè)射頻電纜的損耗，那么整個(gè)前端的增益差不多為72 dB。

4 結(jié)語(yǔ)
    該設(shè)計(jì)對(duì)硬件電路板、測(cè)試過(guò)程以及結(jié)果進(jìn)行了分析，主要測(cè)試了變頻結(jié)果和整體增益大小，從測(cè)試結(jié)果可以得出：設(shè)計(jì)得到的GPS射頻前端可以比較好地完成下變頻，而對(duì)于放大部分，由于實(shí)驗(yàn)儀器的限制，只能測(cè)試到72 dBm，這些寶貴的數(shù)據(jù)，對(duì)于進(jìn)一步對(duì)GPS前端系統(tǒng)的研究將起到重要的作用。