基于GP2010的移动GPS射频前端设计

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

0 引言
GPS(Global Positioning 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 (COMPASS)Navigation 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TQFP44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。