07通信微型星载GPS接收机硬件设计.doc

绪 论 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GPSBlock 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 (数字信号处理) 技术的发展,单通道序贯式、时分多路复用式接收机早已为采用了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产品流,将射频和数字处理集成在一起的单芯片接收机也已经问世。 微小卫星具有成本低、性能好、研制周期短、重量轻、体积小等优点，但整星功耗也受到限制。GPS接收机用于微小卫星，能够测定微小卫星的航迹、姿态、时间参数及编队飞行的微小卫星间的相对距离，能够减少传感器数量，增强微小卫星在轨自主运行能力，显著降低微小卫量的成本、功耗、重量，已成为微小卫星星载导航系统的最佳选择。目前国内市场上GPS接收机的使用高度和速度有限制，不满足航天应用；国外航天GPS接收机也多是单件小批生产，价格昂贵，而且存在禁运问题。基于上述原因，开展航天GPS接收机设计与研究工作十分必要。 设计主体 组成部分及功能 微型星载GPS接收机在硬件设计上选用Zarlink公司的基带处理芯片GP4020和射频芯片GP2015，其硬件设计框图如图2-1所示。 图2-1 微型星载GPS接收机硬件结构框图 GPS接收机的硬件部分包括射频前端、基带处理器和外围芯片。射频前端包括从天线到数字处理器之间的所有部件，射频前端( Front- end) 即信号变频(Down- Converter)模块, 其中的基准频率振荡源为GPS 接收机提供时间和频率基准, 其输出通往频率合成器, 产生本振频率与系统时钟信号, 然后用一个或多个本振频率信号与射频信号进行混频, 完成射频信号到中频信号的变换, 同时将中频信号放大并进行模数转换, 再通过抽样频率对该中频信号进行抽样, 以便后续数字化处理。基带处理器则包括了相关器单元和嵌入式处理器单元，而外围芯片则为各种存储器和通信接口。 GPS射频前端的功能包括放大、下变频、滤波、自动增益和本地振荡信号发生器。GPS卫星发射的C/A伪码以1.023MHz的码率调制在1575.42ＭＨz的载波信号上，到达天线的卫星信号功率大约为-130dBm,深埋于热噪声电平之下（－114dBm/ MHz）其中，相关器包含12个独立通道的跟踪模块，每个模块包含所有的跟踪和锁定GPS信号的模块，不是每个通道都必须在跟踪的时候激活，这样可以减少电源的消耗，微处理器部分包含萤火虫MF1微控制器。它采用了ARM7TDMI核，带有THUMB的指令集，还包含UART串行接口、通用I/O和看门狗的功能。GP4020 内部功能框图。 图2-2 GP4020 内部功能框图 GP2015射频前端芯片 GP2015是应用于GPS接收机的小型射频前端芯片，它与GP2010射频前端芯片的性能相同，但用TQFP封装，适合于体积要求比较小的GPS接收机的设计。工作电源电压为3V～5V，功耗200mW(3V电压)。Ll(1575．42MHz)C／A(Coarse-Acquition)码信号通过天线和低噪声放大器输入到GP2015，GP2015输出是一个2bit的数字信号。GP2015包括一个片上合成器、混频器、自动增益控制(AGC)和一个提供符号和量级数字输出的量化器，构成一个完整的GPS接收机射频前端电路仅需要极少的外部元件，可以与GP2021 12信道GPS相关器和GP4020 GPS基带处理器配套使用，适合C／A代码全球定位的卫星接收机、时间标准、导航和测量应用。GP2015将天线接收到的且通过低噪声放大器的1575.42MHz信号经过三级变频变到中频4.309MHz，得到2位的数据流。GP2015正常工作时需要有源天线增益大于+16dB。GP2015芯片在利用混频器将高频GPS信号降为很低中频信号的同时引入了镜频干扰，而利用滤波器对镜频干扰的抑制效果取决于镜频率与信号频率之间的距离，或者说取决于中频频率的高低。如果中频频率高，则信号与镜频相距较远，那么镜频成份就能受到较大抑制；反之，若中频频率较低，则信号与镜频相隔不远，滤波器对于干扰的滤波效果就比较差。由于信道选择在中频进行，同理，较高的中频频率对信道选择滤波器的要求也较高，于是镜频抑制与信道选择形成了一对矛盾，而中频频率的选择成为平衡这对矛盾的关键。所以在GPS接收机设计中，通常使用两级或三级变频来取得更好的折衷。图2-3 为内部功能框图。 图2-3