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基于GP的移动GPS射频前端设计剖析
2011年1月1日第34卷第1期
现代电子技术
ModernElectronicsTechnique
Jan.2011Vol.34No.1
基于GP2010的移动GPS射频前端设计
陈俊,余之喜
(福州大学物理与信息工程学院,福建福州350002
摘要:
对GPS射频前端进行了研究与设计,实现了GPS信号射频到数字中频的转化过程。
应用GP2010芯片设计出了符合要求的GPS射频前端,包括前端滤波器、低噪声放大器,以及中频滤波器。
介绍测试系统的搭建,对实际制作的电路板进行调试,并得出测试结果,为后期基于FPGA实现GPS基带数字信号处理提供GPS数字中频信号,为自主设计GPS接收机奠定了基础。
关键词:
GPS接收机;射频前端;GP2010;低噪声放大器
中图分类号:
TN92834文献标识码:
A文章编号:
1004373X(201101010103
DesignofMobileGPSRFFrontendBasedonGP2010
CHENJun,YUZhixi
(InstituteofPhysicsandInformationEngineering,FuzhouUniversity,Fuzhou350002,China
Abstract:
TheGPSRFfrontendisstudiedtoprovideabasisfortheresearchofGPSbasebanddigitalsignalprocessing.ThedesirableGPSRFfrontendisdesignedbyusingGP2010chip,whichincludesfrontendfilter,lownoiseamplifierandIFfilter.Theconstructionofthetestsystemisproposed,thecircuitboardisdebuggedandthetestresultsaregained.ThedesigncanprovidedigitalIFGPSsignalsfortheGPSbasebanddigitalsignalprocessing,andestablishafoundationfortheindependentdesignofGPSreceiver.
Keywords:
GPSreceiver;RFfrontend;GP2010;lownoiseamplifier
收稿日期:
20100716
基金项目:
2009年福建省自然科学基金重点资助项目
(2009H0028:
宽带自适应线性射频功率放大0引言
GPS(GlobalPositioningSystem,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
[12]
。
目前,我国正在实施北斗卫星导航系统(BeiDou
(COMPASSNavigationSatelliteSystem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
[2]
。
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
[3]
。
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[2]。
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[45]。
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TQFP44封装,工作电源为3~5V,功耗200mW(3V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
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Zarlink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4309MHz的中频信号[67]
。
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157542MHz下变频为17542MHz。
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[8]
。
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35.42MHz,带宽为1MHz。
根据Zarlink半导体公
关,1.4~1.8dB之间,带宽为2MHz,同时对带外信号至少要求20dB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
2GPS射频前端实际电路板
设计成功的GPS射频前端实物如图3和图4所示。
该电路扳的接口共有4个,分别为:
电源接口、RF输入接口、中频输出接门以及基带处理器连接接口。
各端口描述如下。
(1电源接口:
外接5V的直流电压,经LM1117电源模块输出给GP2010及天线3.3V的工作电压。
(2RF输入接口:
接前面设计的有源天线。
(3中频输出接口:
该接口输出4.309MHz的模拟中频信号,其直流偏置电压约为1.7V。
(4基带处理器连接接口:
该接口有14个管脚,该端口主要输出量化的数字中频信号以及其他控制信号,同时,5714MHz的采样信号也通过该端口进入GP2010。
图3接收机前端电路板(正面
图4接收机前端电路板(底面
3前端测试结果与分析
需要
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现代电子技术
2011年第34卷
对其进行主要指标测试,包括下面几个部分:
一为输入端口驻波比测试;二为射频前端变频能力测试;三为射频前端整体增益测试;四为射频前端整体噪声系数测试。
但是由于实验室的实验设备有限,所以只对电路板的前端变频能力和整体增益进行测试,下面分别给出测试平台结构及测试结果。
3.1射频前端变频能力测试
通过GT201扫频仪输出一个正弦信号,用AT6030D频谱分析仪测量各级的输出频率。
由于扫频仪比较难调出一个精确的157542MHz的信号,只能调出附近值,本次实验输出信号频率为157525MHz。
射频信号经过第一级混频器和1400MHz的本振信号进行混频,输出的第一中频理论值应为175.25MHz,实际测量值为175.57MHz,可以看出测量值和理论值基本上差不多。
第一中频信号进入第二级混频器,本振信号为140MHz,第二中频理论值应为35.57MHz,实测值也是35.57MHz。
第二中频再进入第三级混频器,第三级混频的本振信号为31.11MHz,那么第三中频输出的理论值为4.46MHz,实测为4.42MHz,各级频率如表1所示。
表1各级频率理论值和实测值
理论值/MHz
实测值/MHz输入射频信号1575.421575.25第一级中频175.25175.57第二级中频35.5735.57第三级中频
4.46
4.42
3.2增益测试
由于该射频前端的射频输入端口阻抗为50,而GP2010的模拟中频输出端口的阻抗非50,为1000。
因此,增益的大小只能通过电压的增益来判断。
输入射频信号由信号发生器输出,如图5所示,中频模拟信号的输出幅度由DS1102CA示波嚣进行测量,如图6所示。
通过对比射频输入信号和中频输出信
号的电压幅度可以得到整个前端的增益。
图5射频输入信号
从图5可以看出,GPS射频前端的信号功率为-90dBm,转化为电压是7.07V。
由图6示波器测试得到的射频前端中频输出端口波形可以看出,此时的信号幅度为22mV,通过计算信号前后的电压增益,可知前端的整体增益大致为70dB。
如果再加上整个射频电缆的损耗,那么整个前端的增益差不多为72dB
。
图6中频信号输出
4结语
该设计对硬件电路板、测试过程以及结果进行了分析,主要测试了变频结果和整体增益大小,从测试结果可以得出:
设计得到的GPS射频前端可以比较好地完成下变频,而对于放大部分,由于实验仪器的限制,只能测试到72dBm,这些宝贵的数据,对于进一步对GPS前端系统的研究将起到重要的作用。
参考文献
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628634.
[8]黄智伟.GPS接收机电路设计[M].北京:
国防工业出版
社,2005.
作者简介:
陈俊男,1978年出生,福清人,硕士,讲师。
主要从事微波功率放大器和数字电视等方向的研究工作。
1986年出生,,。
。
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陈俊等:
基于GP2010的移动GPS射频前端设计
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