基于單芯片的GPS接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)

摘要： 給出了基于Hammerhead實(shí)現(xiàn)單芯片GPS接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)，給出射頻PCB設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞： GPS接收機(jī)；Hammerhead；射頻

引言

GPS(全球定位系統(tǒng))發(fā)展到今天，其用途越來(lái)越廣泛，而技術(shù)的進(jìn)步和用戶需求也不斷推動(dòng)GPS系統(tǒng)的增強(qiáng)。目前美國(guó)正在致力于GPS Block II系統(tǒng)的現(xiàn)代化和“GPS - III”計(jì)劃，旨在全面改善GPS的生命力、精度、可用性、完好性、靈活性和安全性。

GPS用戶端設(shè)備也處于不斷升級(jí)和發(fā)展之中。從接收機(jī)的結(jié)構(gòu)來(lái)看，隨著VLSI(超大規(guī)模集成電路)和DSP技術(shù)的發(fā)展,單通道序貫式、時(shí)分多路復(fù)用式接收機(jī)早已被采用DSP模塊的并行多通道接收機(jī)所代替，所能達(dá)到的通道數(shù)和等效相關(guān)器數(shù)不斷增加，集成度更高的內(nèi)嵌MPU/ MCU的GPS基帶處理器芯片成為主流，將射頻和數(shù)字處理集成在一起的單芯片接收機(jī)產(chǎn)品也已經(jīng)問(wèn)世。

本文介紹了一種單芯片GPS接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)。該方案采用Hammerhead芯片,該芯片集射頻與基帶GPS功能于一身，具有低功耗、高性能、尺寸小的特點(diǎn)。

Hammerhead

Hammerhead是一款由英飛凌科技公司和Global Locate公司合作開(kāi)發(fā)的高集成度單片GPS接收機(jī)IC，片內(nèi)集成了低噪聲放大器、混頻器、自動(dòng)增益控制器、A/D、線性穩(wěn)壓器、鎖相環(huán)、數(shù)字基帶。由于它的超大規(guī)模集成度，Hammerhead片外只需很少的元件即可構(gòu)成一個(gè)GPS接收機(jī)，大大降低了元件成本以及PCB面積。 Hammerhead使用大規(guī)模并行關(guān)聯(lián)技術(shù)來(lái)接收衛(wèi)星以八個(gè)并行信道發(fā)射的信號(hào)，并將它們同32,000多個(gè)相關(guān)器中的參考碼進(jìn)行比較。與車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)中常用的接收器相比，該技術(shù)可以大幅縮短首次定位時(shí)間，并可以顯著減少功耗。Hammerhead具有靈活結(jié)構(gòu)的PLL，巧妙地使用了目前手機(jī)設(shè)計(jì)中采用的功能單元，如用于高精度參考時(shí)鐘頻率(10~40MHz)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘頻率(32,768kHz)的晶振，支持在3G、GSM、CDMA電話中應(yīng)用。片上的LNA允許連接無(wú)源的或者有源的天線到Hammerhead。標(biāo)準(zhǔn)的UART端口、SPI和I2C接口，使其可以與任何一種目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行連接。
Hammerhead提供6種功耗模式，1分鐘只定位1次的情況下功耗可低至0.3mW。另外，除了具有傳統(tǒng)的GPS定位功能外，Hammerhead還支持A-GPS，LTO等工作模式，在室內(nèi)、野外等GPS衛(wèi)星信號(hào)極弱或者無(wú)法收到GPS信號(hào)的情況下也能定位。

GPS接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)

射頻前端

圖1和圖2分別是使用無(wú)源天線和有源天線時(shí)射頻前端的電路圖。

圖1  使用無(wú)源天線時(shí)的射頻前端

圖2 使用有源天線時(shí)的射頻前端

當(dāng)使用低增益(10～15dB)的無(wú)源天線時(shí)，接收到的GPS信號(hào)需要經(jīng)過(guò)濾波后送給Hammerhead的LNA，Global Locate推薦使用Epcos公司的B9000 SAW濾波器。在LNA的輸入和輸出引腳需要匹配網(wǎng)絡(luò)，匹配阻抗為50Ω。同樣，LNA的輸出在送給混頻器之前也需要使用濾波器來(lái)抑制帶外信號(hào)，Global Locate推薦使用Epcos公司的B7840 SAW濾波器，經(jīng)該濾波器輸出的平衡差分信號(hào)對(duì)可以直接送給Hammerhead的混頻器差分輸入引腳。

如果使用高增益(25～30dB)的有源天線，無(wú)需使用內(nèi)部LNA，直接將接收到的GPS信號(hào)經(jīng)過(guò)B7840濾波后送給混頻器即可。因?yàn)樾枰o天線供電，因此在天線電源處采用了LC濾波(L1,C2)用來(lái)濾除由電源進(jìn)入的高頻噪聲。C3用來(lái)隔直，防止直流偏置進(jìn)入混頻器。另外要注意增加合適的衰減器，防止混頻器過(guò)載。假設(shè)混頻器輸入信號(hào)最高增益為18dB，天線接收器增益為28dB，天線線纜衰減1.4 dB/m，長(zhǎng)度為3m，可以增加一個(gè)T型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，其衰減系數(shù)＝28－18－3