文章結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，以一種新型的GNSS接收機(jī)射頻電路GP2015為例，就其射頻電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面的內(nèi)容進(jìn)行了分析與探討。

【關(guān)鍵詞】GNSS接收機(jī) 射頻電路 設(shè)計(jì) 應(yīng)用

射頻前端電路是GNSS接收機(jī)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要組成部分。本文所介紹的基于GP2015芯片的射頻前端電路，采用了一款由Zarlink半導(dǎo)體公司所設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的集成電路芯片，它采用多種先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，可極大的改善傳統(tǒng)電路中的高頻干擾問題，是一個(gè)高可靠性和低成本的射頻電路解決方案。

1 GNSS接收機(jī)概述

1.1 GNSS系統(tǒng)的概念

GNSS系統(tǒng)是指全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，它是20世紀(jì)90年代中期歐盟提出的一種綜合星座系統(tǒng)，也是所有在軌工作的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的總稱。其中主要包括了美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）、歐盟的Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（COMPASS）等等。開發(fā)GNSS綜合系統(tǒng)的宗旨是為了綜合利用所有導(dǎo)航衛(wèi)星的信息，以提高GNSS系統(tǒng)的導(dǎo)航和定位精度、可靠性、安全性以及解決GPS系統(tǒng)目前應(yīng)用中所遇到的難點(diǎn)問題。

1.2 GNSS接收機(jī)結(jié)構(gòu)

GNSS接收機(jī)的基本功能包括了接收衛(wèi)星信號(hào)、測量定位、距離測量、數(shù)據(jù)解析等多個(gè)方面，并能夠?qū)崿F(xiàn)定位和定時(shí)的功能。一個(gè)典型的GNSS接收機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，主要包括了四個(gè)功能模塊：天線模塊、射頻前端模塊、基帶處理模塊和應(yīng)用處理模塊。

2 基于GP2015的射頻電路整體功能設(shè)計(jì)

射頻前端電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)從高頻到中頻、從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。GPS信號(hào)經(jīng)過天線后，首先進(jìn)入到射頻前端，經(jīng)過多次混頻得到頻率較低的中頻模擬信號(hào)，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，供基帶處理模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的捕獲和跟蹤。在圖1中，即為GP2015射頻電路的工作原理圖。

如圖1所示，GP2015射頻電路的工作原理為：（1）GPS衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過天線后，然后通過放大濾波裝置將信號(hào)放大后，得到L1信號(hào)，其帶寬為1575.42MHz。（2）L1信號(hào)受振蕩器影響，首先得到一級(jí)混頻信號(hào)，其帶寬為1.4GHz；然后再經(jīng)過二級(jí)濾波器、三級(jí)濾波器依次得差頻信號(hào)，其帶寬分別為140MHz和35.42MHz。（3）該差頻信號(hào)首先通過自動(dòng)增益放大器（AGC），將信號(hào)放大后通過三級(jí)混頻器與三本振信號(hào)之間產(chǎn)生混頻，再由低通濾波器獲取頻率較低的中頻模擬信號(hào)，其帶寬為4.309MHz。（4）中頻模擬信號(hào)首先進(jìn)入A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，使信號(hào)轉(zhuǎn)換為二位數(shù)字中頻信號(hào)，分別為SIGN（數(shù)字信號(hào)極性）和MAG（信號(hào)幅值）。所得到的數(shù)字中頻信號(hào)，可用于供基帶處理模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的捕獲和跟蹤，還可用于控制自動(dòng)增益放大電路的運(yùn)行。

3 基于GP2015的射頻電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 輸入端的匹配設(shè)計(jì)

基于GP2015的GNSS接收機(jī)射頻電路在輸入端的匹配設(shè)計(jì)電路圖，詳見圖2所示。

如圖2所示，由于要求GPS衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過天線后得到的L1信號(hào)的帶寬應(yīng)為1575.42MHz。然而天線前端所得信號(hào)的帶寬和電平都偏低，容易使得有用信號(hào)被噪聲影響到，因此在輸入端必須采用射頻濾波器將大量噪聲去除。在該輸入端的匹配設(shè)計(jì)中，采用了A1571f型號(hào)的射頻濾波器，要求GPS衛(wèi)星輸入信號(hào)需經(jīng)過該濾波器后，才可進(jìn)入到射頻電路中。

3.2 濾波器的設(shè)計(jì)

3.2.1 一級(jí)變頻濾波器設(shè)計(jì)

一級(jí)變頻濾波器主要設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)為：插入損耗控制在3db以內(nèi)；中心頻率為175.42MHz；第二級(jí)變頻濾波器的射頻端和鏡像頻率分別為104.58MHz和1504.58MHz；1.0db帶寬和3.0db帶寬分別為±1MHz和15MHz。

由于第一級(jí)混頻器輸出的中頻信號(hào)，需要通過一個(gè)外置的直流偏置裝置來使得信號(hào)獲得足夠的處理空間。因此，在設(shè)計(jì)中可將一級(jí)變頻濾波器包含一個(gè)直流偏置器，并將其連接到電路中。同時(shí)，為了保證一、二級(jí)混頻器的信號(hào)能夠交流耦合，需要將一級(jí)變頻濾波器的電路設(shè)計(jì)為一個(gè)包含電容和電感的濾波網(wǎng)絡(luò)。

3.2.2 二級(jí)變頻濾波器設(shè)計(jì)

二級(jí)變頻濾波器主要設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)為：插入損耗控制在14～18db以內(nèi)；中心頻率為35.42MHz；第三級(jí)變頻濾波器在射頻端和在第二級(jí)變頻濾波器中的鏡像頻率分別為26.8 MHz和1566.8 MHz；1.0db帶寬和3.0db帶寬分別為±1 MHz和15 MHz；輸入阻抗典型值50Ω，輸出負(fù)載阻抗典型值100Ω。

二級(jí)變頻濾波器的設(shè)計(jì)，主要將其設(shè)置在二、三級(jí)混頻器之間。由于這一級(jí)的變頻濾波器的性能，對于整個(gè)電路和GNSS接收機(jī)的性能都著重要的影響，因此需盡量選用性能可靠、優(yōu)秀的專用濾波器裝置。在本文中，設(shè)計(jì)采用了聲表面（SAW）帶通濾波器DW9255作為二級(jí)變頻濾波器。經(jīng)檢測，其各方面性能指標(biāo)都高于所要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)，能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 晶體振蕩器設(shè)計(jì)

在GP2015射頻前端電路中，幾乎大部分頻率源均是由晶體振蕩器所提供的。例如，第一級(jí)混頻本振頻率的產(chǎn)生方式，為晶振頻率（VCO）/140，而第二級(jí)混頻本振頻率的產(chǎn)生方式為VCO/10等等。因此，在射頻電路的整體設(shè)計(jì)時(shí)，需要外置一個(gè)晶體振蕩器，并由該設(shè)備所產(chǎn)生的振蕩環(huán)路來提供電路中所需的頻率源。

在本文設(shè)計(jì)中，考慮到晶體振蕩器的穩(wěn)定性對整個(gè)射頻電路的工作性能有著非常重要的作用。因此選取了TCXO4080型號(hào)的晶體振蕩器，它是一種溫補(bǔ)型晶體振蕩器，其穩(wěn)定度能高達(dá)到10e-8，可充分滿足設(shè)計(jì)需要。

3.4 AGC檢測電路的設(shè)計(jì)

GP2015采用了部分內(nèi)置的AGC電路。要求所設(shè)計(jì)的放大增益電路，即使在輸入信號(hào)電壓的變化幅度較大時(shí)，仍能控制整個(gè)GNSS接收機(jī)的輸出端電壓值保持不變化。在本文設(shè)計(jì)中，在AGC電路中設(shè)置了一個(gè)外置型電容。該電容的設(shè)置，不僅能通過其電壓大小的改變幅度來判定輸入信號(hào)強(qiáng)度，而且還可以借此判定電容是否處于正常工作狀態(tài)。

3.5 接口設(shè)計(jì)

基于GP2015的射頻前端電路可以與GP4020基帶處理器相配套使用，在接口的設(shè)計(jì)時(shí)，要求能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)、采樣信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、控制信號(hào)等信號(hào)的良好傳遞。其中，GP2015和GP4020的接口的設(shè)計(jì)，詳見圖3所示。

從圖3中可以看出，GP2015和GP 4020管腳的相連方式。其中，GP2015中的LD管腳與GP4020的56管腳相連，其功能主要是判定射頻前端是否鎖相成功；GP2015的SIGN管腳和GP4020的61管腳相連，GP2015的MAG管腳和GP4020的62管腳相連，其功能主要是將中頻數(shù)字信號(hào)輸出到相關(guān)器中；GP2015的PRESET管腳和GP4020的POWER_GOOD管腳相連，其功能主要是判定當(dāng)前電路電源的使用狀況。

4 總結(jié)

該射頻電路方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，不僅極大的將高頻通道設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡化，有效避免了在普遍分散設(shè)計(jì)中的高頻干擾問題，而且僅需要極少數(shù)外部元件就構(gòu)成一個(gè)完整的GPS射頻前端，并可以與GP4020基帶處理器和相關(guān)器相配套使用。

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作者簡介

李瑩瑩（1985-），女，廣東省廣州市人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)為廣州南方衛(wèi)星導(dǎo)航儀器有限公司通信助理工程師 ，從事 GNSS接收機(jī)硬件開發(fā)工作。

作者單位

廣州南方衛(wèi)星導(dǎo)航儀器有限公司 廣東省廣州市 510665endprint