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。

1．3 第二级中频滤波器的设计
    第二级滤波器串接在二级混频后的中频输出与三级混频的输入之间，以达到对二级混频输出的中频信号进行滤波，减小对三级混频的干扰。由二级混频输出差频信号的特点可知，要求该级滤波器的中心频率应为35．42MHz，带宽为±1 MHz。根据Zarlink半导体公司有关GP2010相关资料要求，该滤波器插入损耗1．4～1．8 dB之间，带宽为2 MHz，同时对带外信号至少要求20 dB的衰减。第二级中频滤波器的电路原理图如图2所示。

2 GPS射频前端实际电路板
    设计成功的GPS射频前端实物如图3和图4所示。该电路扳的接口共有4个，分别为：电源接口、RF输入接口、中频输出接门以及基带处理器连接接口。各端口描述如下。
    (1)电源接口：外接5 V的直流电压，经LM1117电源模块输出给GP2010及天线3．3 V的工作电压。
    (2)RF输入接口：接前面设计的有源天线。
    (3)中频输出接口：该接口输出4．309 MHz的模拟中频信号，其直流偏置电压约为1．7 V。
    (4)基带处理器连接接口：该接口有14个管脚，该端口主要输出量化的数字中频信号以及其他控制信号，同时，5．714 MHz的采样信号也通过该端口进入GP2010。

3 前端测试结果与分析
    为了定性了解所设计的GPS射频前端性能，需要对其进行主要指标测试，包括下面几个部分：一为输入端口驻波比测试；二为射频前端变频能力测试；三为射频前端整体增益测试；四为射频前端整体噪声系数测试。但是由于实验室的实验设备有限，所以只对电路板的前端变频能力和整体增益进行测试，下面分别给出测试平台结构及测试结果。
3．1 射频前端变频能力测试
    通过GT-201扫频仪输出一个正弦信号，用AT6030D频谱分析仪测量各级的输出频率。由于扫频仪比较难调出一个精确的1 575．42 MHz的信号，只能调出附近值，本次实验输出信号频率为1 575．25 MHz。射频信号经过第一级混频器和1 400 MHz的本振信号进行混频，输出的第一中频理论值应为175．25MHz，实际测量值为175．57 MHz，可以看出测量值和理论值基本上差不多。第一中频信号进入第二级混频器，本振信号为140MHz，第二中频理论值应为35.57MHz，实测值也是35.57MHz。第二中频再进入第三级混频器，第三级混频的本振信号为31.11MHz，那么第三中频输出的理论值为4．46 MHz，实测为4．42 MHz，各级频率如表1所示。

3．2 增益测试
    由于该射频前端的射频输入端口阻抗为50 Ω，而GP2010的模拟中频输出端口的阻抗非50 Ω，为1 000 Ω。因此，增益的大小只能通过电压的增益来判断。输入射频信号由信号发生器输出，如图5所示，中频模拟信号的输出幅度由DS1102CA示波嚣进行测量，如图6所示。通过对比射频输入信号和中频输出信号的电压幅度可以得到整个前端的增益。

    从图5可以看出，GPS射频前端的信号功率为-90 dBm，转化为电压是7．07μV。由图6示波器测试得到的射频前端中频输出端口波形可以看出，此时的信号幅度为22 mV，通过计算信号前后的电压增益，可知前端的整体增益大致为70 dB。如果再加上整个射频电缆的损耗，那么整个前端的增益差不多为72 dB。

4 结语
    该设计对硬件电路板、测试过程以及结果进行了分析，主要测试了变频结果和整体增益大小，从测试结果可以得出：设计得到的GPS射频前端可以比较好地完成下变频，而对于放大部分，由于实验仪器的限制，只能测试到72 dBm，这些宝贵的数据，对于进一步对GPS前端系统的研究将起到重要的作用。