基于ARM核的GPS接收机的设计与实现

0 引言

全球定位系统(GPS)作为一种成熟的导航定位技术,以其全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及所独具的定位导航、授时授频、精密测量等多方面的强大功能，使其用途越来越广泛。传统的使用8位单片机设计的GPS接收机，在数据处理、系统性能提升以及功能扩展等方面存在较大的不足。随着嵌入式技术的发展，以ARM为代表的32位微处理器凭借其高性能、低功耗、低成本、体积小等优点，在现实中获得了广泛的应用。

本文介绍了一种GPS接收机的整体设计方案,该方案采用Atmel公司生产的ATR0600和ATR0620芯片。其中ATR0600芯片作为接收机的射频前端，内嵌ARM7TDMI处理器核的ATR0620芯片作为接收机的数字基带处理器。该方案具有低功耗、高性能、尺寸小、成本低的特点。

1 GPS接收机的基本组成

GPS接收机的主要任务是跟踪可见GPS卫星，对接收到的卫星无线电信号经过数据处理后获得定位所需的测量值和导航信息，最后完成对用户的定位运算和可能的导航任务。GPS接收机的内部结构沿其工作流程的先后顺序，通常分为射频（RF）前端处理、基带数字信号处理（DSP）和定位导航运算三大功能模块。其基本组成如图1所示：

2 GPS接收机的硬件设计

卫星信号由天线接收,直接进入射频前端。射频前端具有变频作用，将射频信号转换为中频信号。中频信号经采样信号采样、量化后，转换为数字中频信号。数字中频信号进入基带数字处理器，基带数字处理器完成卫星信号的处理后，解调出导航电文，进行相应的处理后给出所需的定位信息或提供特定的应用服务。

2.1 接收天线

接收天线是GPS接收机处理卫星信号的首个器件,它将接收到的GPS卫星所发射的电磁波信号转变成电压或电流信号,以供接收机射频前端摄取与处理。因为GPS接收机赖以定位的信息基本上全部来自于天线接收到的GPS卫星信号，所以接收天线的性能直接影响着整个接收机的定位性能，它对接收机所起的作用与贡献绝对不容忽视。

对GPS接收机天线的主要技术要求是：接收频率为1575.42MHz的L1信号；为了与接收到的GPS卫星信号的极化方式相匹配，从而提高接收效率，接收天线以右旋圆极化的方式工作；强度微弱的GPS卫星信号应当尽可能地先在紧靠天线的一端得到功率放大，以改善整个接收系统的噪声性能，接收机采用内置低噪声放大器（LAN）的有源天线；电线馈线的阻抗为50 。综上所述，本文采用灵敏度高的竖直形状的四螺旋天线，且在工作时将天线采用外置的形式。

2.2 基于ATR0600的射频前端电路设计

射频(RF)前端模块位于接收机天线与基带数字信号处理模块之间,它通过天线接收所有可见GPS卫星信号,经前置滤波器和前置放大器的滤波放大后,再与本机振荡器产生的正弦波本振信号进行混频而下变频成中频(IF)信号,最后经模数(A/D)转换器将中频信号离散成包含GPS信号成分的、频率较低的数字中频信号，并在此过程中进行必要的滤波和增益控制。
本设计中射频前端主要由Atmel公司生产的ATR0600芯片及外围滤波电路构成，它是一个GPS接收机射频前端IC芯片，采用单IF结构，芯片上包含有混频器、IF放大器、2bit的模数转换器（ADC）、晶体振荡器等电路，芯片具有极高的集成度，很小的功耗（约50w）。

ATR0600通过外部的天线接收1575.42MHz的L1 GPS信号，经过低噪声放大器LNA进行第1级滤波、放大后，被外部SAW滤波器进行镜像抑制和对1800MHz GSM频带信号进行隔离。该信号与基准频率为23.104 MHz的本振信号进行混频,混频器将GPS信号下变频到97.76MHz中频。混频后，该信号经过LC带通滤波器和可变益放大器（VGA），与片上集成的中频带通滤波器组合，完成对GSM干扰信号的滤波。VGA输出驱动集成的1.5bitA/D转换器，将中频信号转化成4.35MHz的数字中频信号。