筆記本電腦借助通用GPS RF前端實(shí)現(xiàn)軟件基帶處理

引言

近來(lái)，通訊和導(dǎo)航工程師越來(lái)越傾向在全球定位系統(tǒng)(GPS)中采用軟件技術(shù)。^1,2 由于超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，性能強(qiáng)大的CPU和DSP能夠通過(guò)軟件對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和解碼。這些基于軟件的GPS接收機(jī)具有相當(dāng)強(qiáng)的靈活性：只需修改設(shè)置參數(shù)即可適應(yīng)新的應(yīng)用，無(wú)需重新設(shè)計(jì)硬件，選擇一個(gè)IF，就可完成進(jìn)一步的系統(tǒng)升級(jí)。

利用MAX2769 GPS接收機(jī)RF前端芯片，簡(jiǎn)單的USB dongle或PCI Express® (PCIe®)迷你卡就可以為筆記本電腦增加低本錢的GPS功能。MAX2769將接收到的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C主機(jī)，PC主機(jī)利用軟件實(shí)現(xiàn)基帶解碼，從而 省往了單機(jī)GPS系統(tǒng)所需要的基帶ASIC的本錢。簡(jiǎn)單的說(shuō)，MAX2769使設(shè)計(jì)職員可以利用單芯片實(shí)現(xiàn)GPS和Galileo系統(tǒng)信號(hào)處理的適配器。

本文給出了GPS系統(tǒng)的工作狀態(tài)概述，并具體描述了Maxim的基于軟件的GPS接收機(jī)方案。

GPS基本原理

GPS系統(tǒng)包含24顆空間衛(wèi)星或空間運(yùn)載器(每個(gè)都用唯一的偽隨機(jī)噪聲編碼識(shí)別)、地面控制站以及用戶設(shè)備(接收機(jī))。對(duì)于民用GPS和Galileo系統(tǒng)，這些衛(wèi)星通過(guò)頻率為1.57542GHz的L1波段進(jìn)行通訊。³ GPS接收機(jī)必須捕捉到至少四顆衛(wèi)星的信號(hào)才能進(jìn)行可靠定位，信號(hào)捕捉和跟蹤非常復(fù)雜，由于每顆衛(wèi)星和接收機(jī)的位置時(shí)刻都在變化。

圖1. 民用GPS信號(hào)發(fā)生器采用擴(kuò)頻技術(shù)發(fā)送信號(hào)。

GPS信號(hào)

GPS系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)簡(jiǎn)單的擴(kuò)頻通訊系統(tǒng)。 圖1提供了一個(gè)民用GPS系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生電路。首先，50bps的 導(dǎo)航信息重復(fù)20次，形成1000bps的比特流。然后這個(gè)重復(fù)信號(hào)被長(zhǎng)度為1023碼片(偽隨機(jī)噪聲(PRN)碼的碼速)的唯一粗調(diào)/捕捉碼(C/A) 進(jìn)行擴(kuò)頻，形成1.023Mcps的基帶信號(hào)。此用這種擴(kuò)頻方法后，43dB大小的GPS系統(tǒng)的總處理增益(G)可以很好地恢復(fù)比熱噪聲電平低得多的信 號(hào)。

每顆衛(wèi)星都有唯一的C/A碼或者說(shuō)Gold碼。 由于具有很好的自相關(guān)和互相關(guān)性，Gold碼被廣泛用于各種CDMA通訊系統(tǒng)，如WCDMA和cdma2000®。基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)二元相移鍵控(BPSK)調(diào)制后被上變頻到L1波段進(jìn)行傳輸。

信號(hào)捕捉

由于GPS是一種CDMA通訊系統(tǒng)，所以作為解調(diào)數(shù)據(jù)的先決條件，接收機(jī)必須與PRN碼進(jìn)行同步。實(shí)現(xiàn)代碼同步通常需要兩個(gè)步驟：用來(lái)實(shí)現(xiàn)粗對(duì)準(zhǔn)的代碼捕捉和用來(lái)實(shí)現(xiàn)精細(xì)對(duì)準(zhǔn)的代碼相位跟蹤。⁶ 更明確地講，GPS接收機(jī)必須首先確定它對(duì)某顆衛(wèi)星是否具有視距上的可視性。我們知道，每顆衛(wèi)星都由唯一的C/A碼來(lái)區(qū)分。當(dāng)衛(wèi)星可視時(shí)，由捕捉過(guò)程判定 信號(hào)的頻率和代碼相位，然后確定相應(yīng)的解調(diào)參數(shù)。由于存在多普勒效應(yīng)，根據(jù)衛(wèi)星相對(duì)于接收機(jī)的速度，接收信號(hào)的頻率一般會(huì)偏移標(biāo)稱值5kHz到 10kHz。

在接收器端，GPS信號(hào)首先被下變頻到同向和正交(I和Q)分量信號(hào)。再由一對(duì)I和Q相關(guān)器將I/Q基帶信號(hào)與本地PRN序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。經(jīng)過(guò)一個(gè)比特周期的積分后，I-Q相關(guān)器的輸出被累加起來(lái)以提供輸出判定變量。