GNSS接收機的射頻電路設計與應用

文章結合實際工作經驗，以一種新型的GNSS接收機射頻電路GP2015為例，就其射頻電路設計和應用方面的內容進行了分析與探討。

【關鍵詞】GNSS接收機 射頻電路 設計 應用

射頻前端電路是GNSS接收機結構中的一個重要組成部分。本文所介紹的基于GP2015芯片的射頻前端電路，采用了一款由Zarlink半導體公司所設計、生產的集成電路芯片，它采用多種先進的設計技術，可極大的改善傳統電路中的高頻干擾問題，是一個高可靠性和低成本的射頻電路解決方案。

1 GNSS接收機概述

1.1 GNSS系統的概念

GNSS系統是指全球導航衛星系統，它是20世紀90年代中期歐盟提出的一種綜合星座系統，也是所有在軌工作的衛星導航系統的總稱。其中主要包括了美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的全球導航衛星系統（GLONASS）、歐盟的Galileo衛星導航定位系統，以及我國的北斗衛星導航系統（COMPASS）等等。開發GNSS綜合系統的宗旨是為了綜合利用所有導航衛星的信息，以提高GNSS系統的導航和定位精度、可靠性、安全性以及解決GPS系統目前應用中所遇到的難點問題。

1.2 GNSS接收機結構

GNSS接收機的基本功能包括了接收衛星信號、測量定位、距離測量、數據解析等多個方面，并能夠實現定位和定時的功能。一個典型的GNSS接收機的體系結構，主要包括了四個功能模塊：天線模塊、射頻前端模塊、基帶處理模塊和應用處理模塊。

2 基于GP2015的射頻電路整體功能設計

射頻前端電路的主要功能是實現信號從高頻到中頻、從模擬到數字的轉換。GPS信號經過天線后，首先進入到射頻前端，經過多次混頻得到頻率較低的中頻模擬信號，再由模數轉換器轉換為數字中頻信號，供基帶處理模塊實現信號的捕獲和跟蹤。在圖1中，即為GP2015射頻電路的工作原理圖。

如圖1所示，GP2015射頻電路的工作原理為：（1）GPS衛星信號經過天線后，然后通過放大濾波裝置將信號放大后，得到L1信號，其帶寬為1575.42MHz。（2）L1信號受振蕩器影響，首先得到一級混頻信號，其帶寬為1.4GHz；然后再經過二級濾波器、三級濾波器依次得差頻信號，其帶寬分別為140MHz和35.42MHz。（3）該差頻信號首先通過自動增益放大器（AGC），將信號放大后通過三級混頻器與三本振信號之間產生混頻，再由低通濾波器獲取頻率較低的中頻模擬信號，其帶寬為4.309MHz。（4）中頻模擬信號首先進入A/D模數轉換器中，使信號轉換為二位數字中頻信號，分別為SIGN（數字信號極性）和MAG（信號幅值）。所得到的數字中頻信號，可用于供基帶處理模塊實現信號的捕獲和跟蹤，還可用于控制自動增益放大電路的運行。

3 基于GP2015的射頻電路的結構設計與應用

3.1 輸入端的匹配設計

基于GP2015的GNSS接收機射頻電路在輸入端的匹配設計電路圖，詳見圖2所示。

如圖2所示，由于要求GPS衛星信號經過天線后得到的L1信號的帶寬應為1575.42MHz。然而天線前端所得信號的帶寬和電平都偏低，容易使得有用信號被噪聲影響到，因此在輸入端必須采用射頻濾波器將大量噪聲去除。在該輸入端的匹配設計中，采用了A1571f型號的射頻濾波器，要求GPS衛星輸入信號需經過該濾波器后，才可進入到射頻電路中。

3.2 濾波器的設計

3.2.1 一級變頻濾波器設計

一級變頻濾波器主要設計參數和指標為：插入損耗控制在3db以內；中心頻率為175.42MHz；第二級變頻濾波器的射頻端和鏡像頻率分別為104.58MHz和1504.58MHz；1.0db帶寬和3.0db帶寬分別為±1MHz和15MHz。

由于第一級混頻器輸出的中頻信號，需要通過一個外置的直流偏置裝置來使得信號獲得足夠的處理空間。因此，在設計中可將一級變頻濾波器包含一個直流偏置器，并將其連接到電路中。同時，為了保證一、二級混頻器的信號能夠交流耦合，需要將一級變頻濾波器的電路設計為一個包含電容和電感的濾波網絡。

3.2.2 二級變頻濾波器設計

二級變頻濾波器主要設計參數和指標為：插入損耗控制在14～18db以內；中心頻率為35.42MHz；第三級變頻濾波器在射頻端和在第二級變頻濾波器中的鏡像頻率分別為26.8 MHz和1566.8 MHz；1.0db帶寬和3.0db帶寬分別為±1 MHz和15 MHz；輸入阻抗典型值50Ω，輸出負載阻抗典型值100Ω。

二級變頻濾波器的設計，主要將其設置在二、三級混頻器之間。由于這一級的變頻濾波器的性能，對于整個電路和GNSS接收機的性能都著重要的影響，因此需盡量選用性能可靠、優秀的專用濾波器裝置。在本文中，設計采用了聲表面（SAW）帶通濾波器DW9255作為二級變頻濾波器。經檢測，其各方面性能指標都高于所要求的設計指標，能滿足設計要求。

3.3 晶體振蕩器設計

在GP2015射頻前端電路中，幾乎大部分頻率源均是由晶體振蕩器所提供的。例如，第一級混頻本振頻率的產生方式，為晶振頻率（VCO）/140，而第二級混頻本振頻率的產生方式為VCO/10等等。因此，在射頻電路的整體設計時，需要外置一個晶體振蕩器，并由該設備所產生的振蕩環路來提供電路中所需的頻率源。

在本文設計中，考慮到晶體振蕩器的穩定性對整個射頻電路的工作性能有著非常重要的作用。因此選取了TCXO4080型號的晶體振蕩器，它是一種溫補型晶體振蕩器，其穩定度能高達到10e-8，可充分滿足設計需要。

3.4 AGC檢測電路的設計

GP2015采用了部分內置的AGC電路。要求所設計的放大增益電路，即使在輸入信號電壓的變化幅度較大時，仍能控制整個GNSS接收機的輸出端電壓值保持不變化。在本文設計中，在AGC電路中設置了一個外置型電容。該電容的設置，不僅能通過其電壓大小的改變幅度來判定輸入信號強度，而且還可以借此判定電容是否處于正常工作狀態。

3.5 接口設計

基于GP2015的射頻前端電路可以與GP4020基帶處理器相配套使用，在接口的設計時，要求能夠實現衛星信號、采樣信號、時鐘信號、控制信號等信號的良好傳遞。其中，GP2015和GP4020的接口的設計，詳見圖3所示。

從圖3中可以看出，GP2015和GP 4020管腳的相連方式。其中，GP2015中的LD管腳與GP4020的56管腳相連，其功能主要是判定射頻前端是否鎖相成功；GP2015的SIGN管腳和GP4020的61管腳相連，GP2015的MAG管腳和GP4020的62管腳相連，其功能主要是將中頻數字信號輸出到相關器中；GP2015的PRESET管腳和GP4020的POWER_GOOD管腳相連，其功能主要是判定當前電路電源的使用狀況。

4 總結

該射頻電路方案的設計與應用，不僅極大的將高頻通道設計進行了簡化，有效避免了在普遍分散設計中的高頻干擾問題，而且僅需要極少數外部元件就構成一個完整的GPS射頻前端，并可以與GP4020基帶處理器和相關器相配套使用。

參考文獻

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作者簡介

李瑩瑩（1985-），女，廣東省廣州市人。大學本科學歷。現為廣州南方衛星導航儀器有限公司通信助理工程師 ，從事 GNSS接收機硬件開發工作。

作者單位

廣州南方衛星導航儀器有限公司 廣東省廣州市 510665endprint