1 引言

典型的GPS接收機主要由4部分組成：天線、射頻前端、相關器和導航解算部分。其中，天線主要負責信號的接收；射頻前端負責信號的下變頻，在當前的數字化接收機中還包括A/D轉換，它是所有后端處理的基礎，其信號的品質直接影響接收機的性能，相關器主要負責信號跟蹤與鎖定的硬件部分，包括各種原始數據和測量數據的輸出，并傳輸給微處理器；導航解算部分主要負責信號的跟蹤和鎖定的軟件部分、數據的解調、偽距的提取以及導航數據的解算，它的處理基礎是相關器，所有的原始數據來自相關器。

2 GP2015及其外圍電路

GP2015是Zarlink半導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頻段信號到兩位數字信號的模塊。其中，中頻濾波在片外，分別由一個157.42MHz濾波器和一個35.42MHz聲表面濾波器組成，包含在VCO（壓控振蕩器）中的片上PLL用于產生一個本地的振蕩頻率來提供給混頻器，它的參考信號是來自溫度補償晶振（TCXO）的10.000MHz。

Dynex DW9255是聲表面波帶通濾波器，用它對GPS信號擴頻信號的窄帶寬進行濾波，在使用之前應該預先調到GPS二級中頻的準確頻段35.42MHz和1.9MHz的帶寬。濾波器通帶的弱衰減性和阻帶的強衰減性有助于改進GP2015的抗干擾性。 

GP4020是完整的基于GPS接收機的數字基帶處理器，它由一個12通道的相關器和帶ARM7TDMI核的微處理器組成。其中，相關器包含12個獨立通道的跟蹤模塊，每個模塊包含所有的跟蹤和鎖定GPS信號的模塊，不是每個通道都必須在跟蹤的時候激活，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。

在整個設計過程中，射頻部分的設計是基礎，它的良好實現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的設計，討論GPS接收機射頻模塊的實現過程。

3 GP2015射頻模塊的設計

本設計選用的GP2015有48個引腳，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。該電路完成下變頻和A/D轉換的功能。在該模塊的設計中，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 高頻信號在電路板中的走線設計

高頻信號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體傳輸帶，絕緣基將傳輸帶與地分割開來，因為微波傳輸帶周圍的絕緣基都是一個不連續的空氣和絕緣基的混合體，所以信號的傳輸都受邊緣區域的影響，微波傳輸帶特征阻抗的計算是很復雜的，但是能夠通過一定的條件來簡化。

在GPS接收機的設計中，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層信號連接層中，第2層和第3層都在內部實現，為了保持每層都占有相同的空間，將絕緣基設計為兩塊（0.5mm厚），一塊對0.45mm厚（位于中間）。根據微波傳輸的計算公式，微波帶大概應該有 0.8mm的寬度，50Ω的特征阻抗。

如果布局不一樣或者電路板的層數不一樣，則整個微波傳輸帶的寬度可能需要重新計算和設計。

3.2 晶體振蕩器匹配電路的設計

整個設計中的，所有的參考信號都由TCXO輸入，GP2015中的振蕩電路與外部晶體振蕩器連接后產生10.000MHz的信號，在整個接收機中如果沒有溫度補償晶振的穩定性就不足以保證信號的跟蹤和鎖定。基于這樣的原因，接收機采用10.000MHz的TCXO。具體電路設計如圖1所示。

如圖1所示，在電源和VCC端串接了一只51Ω的電阻器，并在VCC和GND之間并接了1對電容，其TCXO的電流消耗不能超過5mA，否則51Ω電阻器上的壓降就會很大。

3.3 第一級中頻濾波器的設計

GP2105的第一次下變頻至175.42MHz，在片外進行濾波，由于沒有專用濾波器，所以第一級濾波器必須自行設計。濾波器放置在一級變頻的輸出端和二級變頻的輸入端。它要濾除二級中頻的鏡頻干擾及有射頻的鏡頻干擾，當然這些都能通過RF濾波器來進行消除。但是仍然推薦使用第一級的中頻濾波器。

一級中頻濾波器還用于濾除到達二級混頻輸入的干擾信號，GP2015的第一級混頻輸入需要DC偏移來實現最大的中頻信號處理空間。通常第一級中頻濾波應該包含一個DC連接，它通過1只上拉電感器來實現，同時從第一級到第二級的信號路徑應該有交流去耦。在設計中采用了兩個帶有諧振器的耦合可調的IC濾波器，整個電路設計如圖2所示。

3.4 第二級中頻濾波器的設計

第二級中頻濾波器的中心頻率為35.42MHz，帶寬約為＋1.0MHz，插入損耗為14dB－18dB，衰減系數大于10dB。連接在二級混頻的輸出和三級混頻的輸入之間。該濾波器的帶寬應該達到2MHz，同時對帶外信號應該至少有20dB的衰減，所以它的響應曲線應該是一個brick－wall形狀的曲線。在這一級的濾波器設計中，選用Dynex公司的DW9255來實現濾波。它可提供中心頻率在35.42MHz的1.9MHz帶寬，同時衰減只有1dB。帶外信號的濾除在＋2.0MHz達到21dB。

作者：伍蔡倫，李世義，王寶全