基于单芯片的GPS接收机硬件设计

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。

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＝28－18－3×1.4≈5dB。

参考时钟

Hammerhead用到了两种时钟。一种是参考时钟，范围10～40MHz，可来自于外部系统的时钟输入，也可由一个独立的时钟IC产生。因为该时钟提供给芯片内部的锁相环、射频模块、数字基带以及相关器等模块，要求其时钟偏移在2.5ppm以内，如果偏移太大，就不足以保证信号的跟踪和锁定。基于这样的原因，推荐使用26MHz的TCXO，具体电路如图3所示。

其中L1的作用是滤除电源噪声对TCXO输出信号的影响。

另一种时钟是RTCCLK，用于低功耗模式下将Hammerhead唤醒。该时钟大小要求为32.768KHz，可以用普通的有源晶振或者片外系统时钟源产生。

电源设计

Hammerhead一共需要核心电压(1.5V)、射频电压(1.8V)以及逻辑电压(2.5V/2.8V/3.3V)三路电源，在芯片内部均有对应的线性稳压器，可简化电源设计。在设计电源电路时，可根据整个系统的电源使用情况、功耗要求以及Hammerhead的功率耗散来决定是否使用内部线性稳压源以及使用多大的逻辑电平。另外要注意的几点问题是：

*每个电源输入引脚必须至少有一个0.1mF陶瓷滤波电容；
*核心电压工作时需要较大的瞬态电流，在该电源网络上添加一个10mF的电容到地，以提供更好的电源响应；
*注意区分模拟、数字电源，用磁珠对模拟、数字电源进行隔离。尤其是射频部分对电源噪声极其敏感，必要的情况下，可以单独使用一个输出1.8V的LDO给RF供电。

数字I/O

Hammerhead拥有三种串行接口：标准UART端口、I2C端口以及SPI端口。其中I2C 以及SPI端口的引脚与UART引脚复用，可以通过设置Hammerhead的OMS[2:0]三个引脚的逻辑电平状态来选择使用哪一种接口。

PCB设计

由于含有射频信号，GPS接收机的PCB设计相对中低频信号的PCB板来说要困难得多，因此需要注意以下事项：

*射频信号走线尽量短、直，在同一层走线，不能走直角；尽可能的用铺地铜皮将射频信号隔离，防止其他信号与其之间产生串扰；平衡差分信号的路径要保持平行，并且长度相仿，这样可以加强二者之间的耦合而减弱与其他线之间的耦合。

*26MHz参考时钟信号的稳定性直接决定了GPS接收机的性能。布线时该信号要远离以下信号：32.768KHz时钟、数字信号、射频信号；用铺地铜皮将其包围可以起到很好的隔离效果，允许的话可以在地层走线；PLL的匹配网络应尽量靠近与其相连的引脚放置。

*滤波电容应该尽量靠近相应的电源引脚放置；为了保证电源层的稳定，应尽量增大电源的铺铜面积，减小铺铜间距是一种有效的方法；使用尽可能多的接地过孔将顶层与底层的接地铜皮与电源分割层地层铜皮相连，可以保证地层铜皮足够平稳，起到更好的隔离效果；模拟电源与数字电源要隔离，在两者搭接处加入磁珠，防止互相干扰，连接电源和地的导线应尽量粗一些。

*有资料表明，GPRS、CDMA等无线通信模块的射频信号以及LCD的第143次谐波都会对GPS接收机的工作产生影响，这些信号被称为基带噪声。消除这些噪声影响的最简便方法，是使用一个金属罩将射频电路以及Hammerhead芯片屏蔽起来；另外，在TCXO外安装一个屏蔽罩，可防止因气流流动引起的温度骤然变化而导致的TCXO输出频率偏移。

结语

基于Hammerhead的GPS接收机具有低成本、低功耗、性能优越的特点。高集成度使安装在芯片以外的接收机部件极少,节约了相当大的印制板空间,降低了组件成本。加入内部LNA和PLL既降低了成本,又减少了整个系统的功耗。通过软件可以选择使用有源或者无源天线，还可以设置芯片工作在GPS、A-GPS、LTO等模式，非常适合在手机、PDA、便携式设备等嵌入式领域中使用。目前，我们已经在一款野外勘探手持机中使用Hammerhead实现了GPS定位功能，其电路在PCB中的面积为25mm×20mm；功耗小于0.1W；冷启动时首次定位时间小于60s，热启动时小于10s；定位精度5m。