基于ARM核的GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

全球定位系統(tǒng)(GPS)作為一種成熟的導(dǎo)航定位技術(shù),以其全天候、高精度、自動(dòng)化、高效率等顯著特點(diǎn)及所獨(dú)具的定位導(dǎo)航、授時(shí)授頻、精密測(cè)量等多方面的強(qiáng)大功能，使其用途越來(lái)越廣泛。傳統(tǒng)的使用8位單片機(jī)設(shè)計(jì)的GPS接收機(jī)，在數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)性能提升以及功能擴(kuò)展等方面存在較大的不足。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，以ARM為代表的32位微處理器憑借其高性能、低功耗、低成本、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

本文介紹了一種GPS接收機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案,該方案采用Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600和ATR0620芯片。其中ATR0600芯片作為接收機(jī)的射頻前端，內(nèi)嵌ARM7TDMI處理器核的ATR0620芯片作為接收機(jī)的數(shù)字基帶處理器。該方案具有低功耗、高性能、尺寸小、成本低的特點(diǎn)。

1 GPS接收機(jī)的基本組成

GPS接收機(jī)的主要任務(wù)是跟蹤可見(jiàn)GPS衛(wèi)星，對(duì)接收到的衛(wèi)星無(wú)線電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后獲得定位所需的測(cè)量值和導(dǎo)航信息，最后完成對(duì)用戶(hù)的定位運(yùn)算和可能的導(dǎo)航任務(wù)。GPS接收機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿其工作流程的先后順序，通常分為射頻（RF）前端處理、基帶數(shù)字信號(hào)處理（DSP）和定位導(dǎo)航運(yùn)算三大功能模塊。其基本組成如圖1所示：

2 GPS接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

衛(wèi)星信號(hào)由天線接收,直接進(jìn)入射頻前端。射頻前端具有變頻作用，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)采樣信號(hào)采樣、量化后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)。數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)入基帶數(shù)字處理器，基帶數(shù)字處理器完成衛(wèi)星信號(hào)的處理后，解調(diào)出導(dǎo)航電文，進(jìn)行相應(yīng)的處理后給出所需的定位信息或提供特定的應(yīng)用服務(wù)。

2.1 接收天線

接收天線是GPS接收機(jī)處理衛(wèi)星信號(hào)的首個(gè)器件,它將接收到的GPS衛(wèi)星所發(fā)射的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號(hào),以供接收機(jī)射頻前端攝取與處理。因?yàn)镚PS接收機(jī)賴(lài)以定位的信息基本上全部來(lái)自于天線接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào)，所以接收天線的性能直接影響著整個(gè)接收機(jī)的定位性能，它對(duì)接收機(jī)所起的作用與貢獻(xiàn)絕對(duì)不容忽視。

對(duì)GPS接收機(jī)天線的主要技術(shù)要求是：接收頻率為1575.42MHz的L1信號(hào)；為了與接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào)的極化方式相匹配，從而提高接收效率，接收天線以右旋圓極化的方式工作；強(qiáng)度微弱的GPS衛(wèi)星信號(hào)應(yīng)當(dāng)盡可能地先在緊靠天線的一端得到功率放大，以改善整個(gè)接收系統(tǒng)的噪聲性能，接收機(jī)采用內(nèi)置低噪聲放大器（LAN）的有源天線；電線饋線的阻抗為50 。綜上所述，本文采用靈敏度高的豎直形狀的四螺旋天線，且在工作時(shí)將天線采用外置的形式。

2.2 基于ATR0600的射頻前端電路設(shè)計(jì)

射頻(RF)前端模塊位于接收機(jī)天線與基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊之間,它通過(guò)天線接收所有可見(jiàn)GPS衛(wèi)星信號(hào),經(jīng)前置濾波器和前置放大器的濾波放大后,再與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的正弦波本振信號(hào)進(jìn)行混頻而下變頻成中頻(IF)信號(hào),最后經(jīng)模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器將中頻信號(hào)離散成包含GPS信號(hào)成分的、頻率較低的數(shù)字中頻信號(hào)，并在此過(guò)程中進(jìn)行必要的濾波和增益控制。
本設(shè)計(jì)中射頻前端主要由Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600芯片及外圍濾波電路構(gòu)成，它是一個(gè)GPS接收機(jī)射頻前端IC芯片，采用單IF結(jié)構(gòu)，芯片上包含有混頻器、IF放大器、2bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、晶體振蕩器等電路，芯片具有極高的集成度，很小的功耗（約50w）。

ATR0600通過(guò)外部的天線接收1575.42MHz的L1 GPS信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器LNA進(jìn)行第1級(jí)濾波、放大后，被外部SAW濾波器進(jìn)行鏡像抑制和對(duì)1800MHz GSM頻帶信號(hào)進(jìn)行隔離。該信號(hào)與基準(zhǔn)頻率為23.104 MHz的本振信號(hào)進(jìn)行混頻,混頻器將GPS信號(hào)下變頻到97.76MHz中頻?；祛l后，該信號(hào)經(jīng)過(guò)LC帶通濾波器和可變益放大器（VGA），與片上集成的中頻帶通濾波器組合，完成對(duì)GSM干擾信號(hào)的濾波。VGA輸出驅(qū)動(dòng)集成的1.5bitA/D轉(zhuǎn)換器，將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成4.35MHz的數(shù)字中頻信號(hào)。