微型星載GPS接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)

1、    微型星載GPS接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)        包鼎華 時(shí)間:2007年12月05日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        摘 要：本文介紹了清華宇航中心航天GPS 接收的硬件設(shè)計(jì),給出了測(cè)試結(jié)果和分析。關(guān)鍵詞：航天GPS接收機(jī)? 硬件設(shè)計(jì)? G

2、P4020? 基帶處理器?1 主要部件? 微型星載GPS接收機(jī)在硬件設(shè)計(jì)上選用Zarlink公司的基帶處理芯片GP4020和射頻芯片GP2015，其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。?1.1 GP4020基帶處理器? GP4020是基于Zarlink公司的Firefly MF1微處理器內(nèi)核和12通道偽碼擴(kuò)譜相關(guān)器的全數(shù)字式基帶處理芯片。作為該公司的第二代GPS芯片，它把一個(gè)與GP2021相關(guān)器芯片功能一致的相關(guān)器單元和一個(gè)ARM7TDMI微處理器單元集成在一起，以降低系統(tǒng)功耗和成本，提高系統(tǒng)性能。? 相關(guān)器單元共有12個(gè)相關(guān)通道，每個(gè)通道都含有相同的跟蹤模塊。相關(guān)通道除了含有捕獲和跟蹤GPS信號(hào)所需的所

3、有元件外，還含有用于產(chǎn)生部分測(cè)量數(shù)據(jù)的其他功能模塊。在必要時(shí)，相關(guān)器單元還可以關(guān)閉部分通道，以降低系統(tǒng)功耗和處理器負(fù)載。1.2 GP2015射頻前端芯片2 硬件設(shè)計(jì)2.1 射頻電路設(shè)計(jì)? 根據(jù)所設(shè)計(jì)星載GPS接收機(jī)的航天應(yīng)用特點(diǎn)，選擇Micropulse1621LW GPS無(wú)源天線，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、體積小，適合于安裝在微小衛(wèi)星上，但需要進(jìn)行低噪聲前置放大器的設(shè)計(jì)。? 微型星載GPS接收機(jī)的低噪聲前置放大器采用AM50-0002低噪聲放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以直接做在射頻電路板上，也可以與Micropulse1621LW GPS無(wú)源天線做成一體，以降低饋線損耗。AM50-0002的特性參數(shù)如下。?

4、 射頻前端電路主要由GP2015和外圍電路構(gòu)成，其簡(jiǎn)化原理圖如圖2所示。? 用這種方式設(shè)計(jì)的濾波電路能夠?yàn)V除位于混頻輸出的絕大多數(shù)本振和射頻信號(hào)。但是這一部分的PCB圖的元件布局要求非常嚴(yán)格，需要精心設(shè)計(jì)。因?yàn)檫@一部分的元件間隙的任何變動(dòng)都可能產(chǎn)生元件間的寄生振蕩現(xiàn)象。同理，這些元件間的連接導(dǎo)線也需要精心安排，而且設(shè)計(jì)時(shí)要考慮在這一部分濾波器和射頻信號(hào)輸入電路之間留有足夠的空間，以實(shí)現(xiàn)相互隔離，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。? (2)第二級(jí)中頻濾波器? 這一級(jí)中頻濾波器位于第二級(jí)混頻器的輸出端和第三級(jí)混頻器的輸入端之間，它的頻率特性對(duì)整個(gè)射頻前端乃至整個(gè)GPS接收機(jī)的性能的影響都非常大。本 設(shè)計(jì)采用Zar

5、link公司生產(chǎn)的專用濾波器DW9255。它是一種聲表面波(SAW)帶通濾波器，性能優(yōu)良，以35.42MHz為中心頻率，1dB的衰減帶寬為1.9MHz，插入損耗僅為17dB±1dB。當(dāng)濾波器的輸入輸出端匹配好以后，它能達(dá)到的濾波器性能在±2.0MHz時(shí)優(yōu)于21dB，在±7.5MHz時(shí)優(yōu)于35dB。這個(gè)性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。第二級(jí)中頻濾波器的電路原理圖如圖4所示。? (3)第三級(jí)中頻濾波器? 第三級(jí)中頻濾波器為GP2015的片上濾波器，中心頻率為4.3MHz。GPS接收機(jī)總的射頻帶寬由第二級(jí)中頻濾波器定義，第三級(jí)中頻濾波器用于防止帶外噪聲和干擾信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換

6、器。? (4)外置鎖相環(huán)濾波器? GP2015采用內(nèi)置鎖相環(huán)的方式產(chǎn)生本地振蕩頻率以供各級(jí)變頻的需要，其鎖相環(huán)濾波器是外置的。鎖相環(huán)濾波器為低通濾波器，通過(guò)它來(lái)取出其中緩慢變化的直流電壓分量來(lái)控制壓控振蕩器（VCO），將環(huán)路控制在鎖定狀態(tài)。? 外置鎖相環(huán)路濾波器采用二階低通濾波器，濾波器參數(shù)和電路原理圖如圖5所示。? (5)基準(zhǔn)振蕩器? GPS接收機(jī)幾乎所有頻率和時(shí)鐘信號(hào)（除了數(shù)字電路部分的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘）本質(zhì)上都來(lái)自于基準(zhǔn)振蕩器，因而基準(zhǔn)振蕩器的選擇對(duì)于GPS接收機(jī)的性能影響非常重要。? 微型星載GPS接收機(jī)的基準(zhǔn)振蕩器采用溫度補(bǔ)償晶體振蕩器TXO515E，在室溫下的頻率穩(wěn)定度為1.5ppm

7、，具體的電路設(shè)計(jì)如圖6所示。? (6)自動(dòng)增益控制（AGC）電路? GP2015采用部分內(nèi)置的自動(dòng)增益控制（AGC）電路，AGC電路的設(shè)計(jì)如圖7所示。? 自動(dòng)增益電路是GPS接收機(jī)必不可少的控制電路之一。這是因?yàn)镚PS接收機(jī)工作時(shí)，其輸出功率是隨外來(lái)信號(hào)強(qiáng)度的大小而變化的。GPS接收機(jī)所接收到的信號(hào)強(qiáng)度隨各種條件的變化，其變化范圍可從幾毫伏到幾百毫伏，但GPS接收機(jī)輸出電平的變化范圍應(yīng)盡量小。如果信號(hào)過(guò)強(qiáng)，將使晶體管和終端器件過(guò)載以致?lián)p壞；如果信號(hào)過(guò)弱，GPS接收機(jī)又可能無(wú)法正常工作。因此，必須采用AGC電路來(lái)自動(dòng)控制GPS接收機(jī)的增益。? AGC電路能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)輸入信號(hào)電壓變化很大時(shí)，GPS接

8、收機(jī)的輸出電壓基本保持不變。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，必須有一個(gè)隨外來(lái)信號(hào)強(qiáng)度而改變的電流或電壓來(lái)控制相關(guān)的增益。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可使用一個(gè)外置電容（100nF），通過(guò)判斷該電容上的電壓大小來(lái)確定信號(hào)的強(qiáng)弱。在調(diào)試時(shí)也可以通過(guò)檢測(cè)此電容上的電壓變化來(lái)判斷AGC電路是否工作正常。2.2 數(shù)字電路設(shè)計(jì)? 微型星載GPS接收機(jī)的數(shù)字電路部分主要以Zarlink公司的基帶處理器GP4020為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)字電路的設(shè)計(jì)工作主要包括接口設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。數(shù)字電路的設(shè)計(jì)分為：輸入輸出接口設(shè)計(jì)、射頻電路接口設(shè)計(jì)、調(diào)試接口設(shè)計(jì)和電源設(shè)計(jì)。下面介紹數(shù)字電路設(shè)計(jì)的各個(gè)部分。? 微型星載GPS接收機(jī)一方面從外部獲得5V

9、的輸入電源VIN，另一方面又可通過(guò)RS232與計(jì)算機(jī)終端通信。此外，GPS OEM標(biāo)準(zhǔn)接口所定義的通用輸入輸出管腳和保留管腳還可以用來(lái)輸入輸出GPIO信號(hào)和一些調(diào)試信號(hào)。其余的管腳定義還包括復(fù)位管腳、電池管腳和實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入輸出管腳等。? 數(shù)字電路部分與射頻電路的接口包括：射頻電路的電源、40MHz的差分時(shí)鐘信號(hào)、5.714MHz采樣信號(hào)、射頻功率監(jiān)控信號(hào)、射頻PLL鎖定指示信號(hào)和二值量化數(shù)字信號(hào)等。? 射頻電路和數(shù)字電路的連接關(guān)系如圖8所示，GP4020內(nèi)部的系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器接收來(lái)自GP2015的40MHz差分時(shí)鐘信號(hào)CLK_T和CLK_I，產(chǎn)生相關(guān)器、Firefly MF1微控制器和總線等的時(shí)

10、鐘信號(hào)。? GP2015的LD信號(hào)接入GP4020的RF_PLL_LOCK管腳，當(dāng)LD管腳由低變高時(shí)，表示射頻前端鎖相環(huán)路處于鎖定狀態(tài)，40MHz差分時(shí)鐘信號(hào)已經(jīng)穩(wěn)定。? GP2015的PRESET信號(hào)接入GP4020的Power_Good管腳，指示當(dāng)前電源的狀態(tài)，高為正常，低則迫使GP4020進(jìn)入調(diào)電模式。GP2015的SIGN和MAG信號(hào)分別接入到GP4020的SIGN0和MAG0管腳，將數(shù)字中頻信號(hào)輸入到相關(guān)器。? GP4020的SAMPCLK信號(hào)接入到GP2015的CLK管腳，將5.714MHz的采樣信號(hào)輸出到GP2015，對(duì)4.309MHz的中頻信號(hào)進(jìn)行二值量化。? GP4020的F

11、irefly MF1微控制器內(nèi)置了三種成熟的軟件和硬件調(diào)試方案，分別為：? (1)嵌入式在線仿真器(ICE)，通過(guò)ARM7TDMI的JTAG接口訪問(wèn)；? (2)Angel調(diào)試監(jiān)視器；? (3)邏輯分析儀結(jié)合反匯編工具，通過(guò)SSM調(diào)試接口訪問(wèn)。?微型星載GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用了嵌入式ICE作為調(diào)試接口，其JTAG接口電路設(shè)計(jì)如圖9所示。在GP4020芯片中，通過(guò)NICE管腳（84）選擇ARM7TDMI的工作模式，高為正常模式，低為ICE模式。? 數(shù)字電路部分的電源設(shè)計(jì)實(shí)際上也包括了射頻電路的電源設(shè)計(jì)，其電路原理如圖10所示。數(shù)字電路從外部的GPS OEM 標(biāo)準(zhǔn)接口電路獲得5V的電源輸入VIN，并

12、使用電源芯片MAX1692將5V的輸入電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓分別供應(yīng)數(shù)字電路和射頻電路。其中射頻電源VCC通過(guò)射頻接口輸出給射頻電路，而VDD和VBAT則為數(shù)字電路電源。VBAT與VDD的區(qū)別在于它增加了鋰電池充電電路的設(shè)計(jì)，可以在接收機(jī)斷電時(shí)繼續(xù)使用3V鋰電池供應(yīng)GP4020，以保存GP4020內(nèi)部SRAM中的重要數(shù)據(jù)。?3 設(shè)計(jì)結(jié)果? 本微型星載GPS接收機(jī)為雙板接收機(jī)，射頻電路板和數(shù)字電路板分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，再通過(guò)螺栓螺母將兩個(gè)電路板固定為一體，并采用專門(mén)設(shè)計(jì)的接口連接兩部分電路。微型星載GPS接收機(jī)的電路原理圖和PCB圖都采用了Protel99se軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和繪制，選用器件基本上為表面貼器件。? 射頻前端電路的器件布置在四層PCB板上，單面布置器件。? 數(shù)字電路的器件布置在六層PCB板上，雙面布置器件。4 測(cè)試結(jié)果及分析? 測(cè)試定位時(shí)間為80秒。冷啟動(dòng)情況下，該指標(biāo)與接收機(jī)搜索GPS衛(wèi)星順序及GPS衛(wèi)星可視情況有關(guān)。接收機(jī)首先分配12個(gè)相關(guān)器通道搜索PRN1到PRN12衛(wèi)星，當(dāng)這些衛(wèi)星多于3顆可見(jiàn)時(shí)，在約30秒時(shí)就能實(shí)現(xiàn)定位解算。定位結(jié)果如圖11所示。? 偽距速度的捕獲范圍與應(yīng)用軟件中設(shè)定的±35kHz的多普勒頻率搜索范圍吻合；? PLL載波跟蹤環(huán)路動(dòng)態(tài)特性差，能夠跟蹤的最大加速度是3