基于GP2010的移动GPS前端系统的设计

GPS( Global Posit ioning System，全球定位系统)是由美国国防部于1973 年提出，历时20 年建立起来的新一代精密卫星导航定位系统。GPS 作为一种全球性、全天候的连续、实时定位系统，具有在海陆空进行全方位、实时、三维导航与定位的能力，能为用户提供连续、实时、高精度的三维位置、速度和时间基准。

目前，我国正在实施北斗卫星导航系统( Bei Dou( COMPA SS) Navigat io n Satel lite System) 建设工作,规划相继发射5 颗静止轨道卫星和30 颗非静止轨道卫星，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。按照建设规划，在2012 年前后，北斗卫星导航系统将首先提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信服务能力。在2020 年前后，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

长期以来，我国GPS 接收机以国外引进为主，大多数接收机还都是基于国外的GPS 专用处理芯片，不仅价格昂贵，而且性能上受到国外技术限制，无法满足军事等领域的要求。由此可见，开发具有自主知识产权的GPS 数字接收机具有战略意义，自主开发GPS 接收机不仅可以突破国外的技术限制，使GPS 接收机适用于高动态、实时性要求较高的环境中，而且可以为开发! 北斗?导航定位接收机，促进“ 北斗” 导航定位系统的发展提供技术支持和积累宝贵经验。本文主要介绍以GP2010 为核心的GPS 前端系统的设计。

1   移动GPS前端整体设计

该设计是围绕Zarlink 公司的专用芯片GP2010 进行的，天线接收到GPS 卫星发射的L1 频段载波信号，首先经过无源带通滤波器和低噪声放大器后，进入GP2010芯片。通过三级下变频，经过放大、滤波等调整后将射频信号转换为中频信号，然后由两比特模数采样器转换为数字信号，以便后续基带电路进行相关处理。

1. 1   前端射频信号处理模块GP2010

GP2010 是Zarlink 半导体公司生产的GPS 接收机射频前端专用芯片，提供了一个低功率、低成本和高可靠性的GPS 射频前端解决方案。该芯片采用T QFP44封装，工作电源为3~ 5 V，功耗200 mW( 3 V 电压) 。

天线接收到的卫星L1 频段导航定位信号，经过无源滤波器、低噪声放大器以及阻抗匹配的微带线路输入到GP2010，完成1. 2 节中设计的下变频方案，从而实现射频信号到数字中频信号的转换。

GP2010 包括片上频率合成器、分频器、混频器、自动增益控制器( AGC) 和一个提供符号与量级数字输出的量化器。利用该专用芯片仅需少量的外围电路及少许电子元件，即可构成一个完整的GPS 接收机射频前端电路。该专用芯片可与Zar link 公司生产的12 通道数字相关器GP2021 相关器或GP4020 基带处理器配套使用，组成一个完整的GPS 接收机硬件平台。该专用芯片虽然可完成频率合成、混频、滤波以及模数转换等主要功能，但基准时钟的晶体振荡器匹配电路、第一级中频滤波电路和第二级中频滤波电路由片外完成，必须自行设计。第三级中频滤波器为片上滤波器,滤波在片内完成，其输出中心频率为4.309 MHz 的中频信号。

1. 2   第一级中频滤波电路设计

GP2010 进行三级下变频时，本振信号混频会同时产生卫星信号的上边带和下边带，在混频器之后采用三级中频带通滤波器选择下边带，滤去上边带和漏进来的信号，利用三级优化滤波来提高接收机抗干扰能力。

GP2010 的第一级下变频将卫星导航定位信号由1 575. 42 MHz下变频为175. 42 MHz。第一级中频滤波器放置在一级变频的输出端和二级变频的输入端，达到对一级中频进入二级混频时的干扰信号、二级中频的镜频干扰信号以及射频的镜频干扰进行有效滤除。当然这些都能通过RF 滤波器来进行消除，但根据Zarlink 半导体公司生产资料要求，仍然推荐使用第一级的中频滤波器。GP2010 的第一级混频输入需要DC 偏移来实现最大的中频信号处理空间，通常第一级中频滤波应该包含一个DC 连接，它通过1 只上拉电感器来实现。同时考虑到从第一级到第二级的信号之间存在交流耦合，因此对路径进行交流去耦，在设计中交流去耦电路采用了两个带有谐振器的耦合可调的IC 滤波器完成。第一级中频滤波器的电路原理图如图1 所示。

 

图1   第一级中频滤波电路示意图

1. 3   第二级中频滤波器的设计

第二级滤波器串接在二级混频后的中频输出与三级混频的输入之间，以达到对二级混频输出的中频信号进行滤波，减小对三级混频的干扰。由二级混频输出差频信号的特点可知，要求该级滤波器的中心频率应为35. 42 MHz，带宽为±1 MHz。根据Zar link 半导体公司有关GP2010 相关资料要求，该滤波器插入损耗1. 4~ 1. 8 dB 之间，带宽为2 MHz，同时对带外信号至少要求20 dB 的衰减。第二级中频滤波器的电路原理图如图2 所示。

图2   第二级中频滤波器电路示意图

2   GPS 射频前端实际电路板