基于单芯片的GPS接收机硬件设计

摘要： 给出了基于Hammerhead实现单芯片GPS接收机的硬件设计，给出射频PCB设计方案。

关键词： GPS接收机；Hammerhead；射频

引言

GPS(全球定位系统)发展到今天，其用途越来越广泛，而技术的进步和用户需求也不断推动GPS系统的增强。目前美国正在致力于GPS Block II系统的现代化和“GPS - III”计划，旨在全面改善GPS的生命力、精度、可用性、完好性、灵活性和安全性。

GPS用户端设备也处于不断升级和发展之中。从接收机的结构来看，随着VLSI(超大规模集成电路)和DSP技术的发展,单通道序贯式、时分多路复用式接收机早已被采用DSP模块的并行多通道接收机所代替，所能达到的通道数和等效相关器数不断增加，集成度更高的内嵌MPU/ MCU的GPS基带处理器芯片成为主流，将射频和数字处理集成在一起的单芯片接收机产品也已经问世。

本文介绍了一种单芯片GPS接收机的硬件设计。该方案采用Hammerhead芯片,该芯片集射频与基带GPS功能于一身，具有低功耗、高性能、尺寸小的特点。

Hammerhead

Hammerhead是一款由英飞凌科技公司和Global Locate公司合作开发的高集成度单片GPS接收机IC，片内集成了低噪声放大器、混频器、自动增益控制器、A/D、线性稳压器、锁相环、数字基带。由于它的超大规模集成度，Hammerhead片外只需很少的元件即可构成一个GPS接收机，大大降低了元件成本以及PCB面积。 Hammerhead使用大规模并行关联技术来接收卫星以八个并行信道发射的信号，并将它们同32,000多个相关器中的参考码进行比较。与车辆导航系统中常用的接收器相比，该技术可以大幅缩短首次定位时间，并可以显著减少功耗。Hammerhead具有灵活结构的PLL，巧妙地使用了目前手机设计中采用的功能单元，如用于高精度参考时钟频率(10~40MHz)和实时时钟频率(32,768kHz)的晶振，支持在3G、GSM、CDMA电话中应用。片上的LNA允许连接无源的或者有源的天线到Hammerhead。标准的UART端口、SPI和I2C接口，使其可以与任何一种目标系统进行连接。
Hammerhead提供6种功耗模式，1分钟只定位1次的情况下功耗可低至0.3mW。另外，除了具有传统的GPS定位功能外，Hammerhead还支持A-GPS，LTO等工作模式，在室内、野外等GPS卫星信号极弱或者无法收到GPS信号的情况下也能定位。

GPS接收机硬件设计

射频前端

图1和图2分别是使用无源天线和有源天线时射频前端的电路图。

图1  使用无源天线时的射频前端

图2 使用有源天线时的射频前端

当使用低增益(10～15dB)的无源天线时，接收到的GPS信号需要经过滤波后送给Hammerhead的LNA，Global Locate推荐使用Epcos公司的B9000 SAW滤波器。在LNA的输入和输出引脚需要匹配网络，匹配阻抗为50Ω。同样，LNA的输出在送给混频器之前也需要使用滤波器来抑制带外信号，Global Locate推荐使用Epcos公司的B7840 SAW滤波器，经该滤波器输出的平衡差分信号对可以直接送给Hammerhead的混频器差分输入引脚。

如果使用高增益(25～30dB)的有源天线，无需使用内部LNA，直接将接收到的GPS信号经过B7840滤波后送给混频器即可。因为需要给天线供电，因此在天线电源处采用了LC滤波(L1,C2)用来滤除由电源进入的高频噪声。C3用来隔直，防止直流偏置进入混频器。另外要注意增加合适的衰减器，防止混频器过载。假设混频器输入信号最高增益为18dB，天线接收器增益为28dB，天线线缆衰减1.4 dB/m，长度为3m，可以增加一个T型电阻衰减网络，其衰减系数＝28－18－3