微型星載GPS接收機硬件設(shè)計概要

1、微型星載GPS接收機硬件設(shè)計包鼎華 時間:2007 年 12月 05 日字 體 : 大 中 小關(guān)鍵詞 : <"cblue" " 數(shù)字電路 " target='_blank'> 數(shù)字電路 <"cblue" " 相關(guān)器 " target='_blank'> 相關(guān)器 <"cblue""星載"target='_bla nk'> 星載 v"cblue"" 射頻電路 &quo

2、t; target='_blank'> 射頻電路 <"cblue" " 混頻器 " target='_blank'> 混頻器摘 要：本文介紹了清華宇航中心航天 GPS接收的硬件設(shè)計，給出了測試結(jié)果和 分析。關(guān)鍵詞：航天GPS接收機？硬件設(shè)計？ GP4020?基帶處理器? 微小衛(wèi)星具有成本低、性能好、研制周期短、重量輕、體積小等優(yōu)點，但整 星功耗也受到限制。GPS接收機用于微小衛(wèi)星，能夠測定微小衛(wèi)星的航跡、姿 態(tài)、時間參數(shù)及編隊飛行的微小衛(wèi)星間的相對距離，能夠減少傳感器數(shù)量，增 強微小衛(wèi)星的在軌自主運行能力

3、，顯著降低微小衛(wèi)星的成本、功耗、重量，已 成為微小衛(wèi)星 <"cblue" " 星載" title=" 星載"> 星載導航系統(tǒng)的最佳選擇。目前國內(nèi)市場上GPS接收機的使用高度和速度有限制，不滿足航天應(yīng)用；國外航天GPS接收機也多是單件小批生產(chǎn)，價格昂貴，而且存在禁運問題?；谏鲜鲈?，開展航天GPS接收機設(shè)計與研究工作十分必要。1 主要部件?微型星載GPS接收機在硬件設(shè)計上選用 Zarlink公司的基帶處理芯片 GP4020和射頻芯片GP2015其硬件設(shè)計框圖如圖1所示。? GPS接收機的硬件部分包括射頻前端、基帶處理器和外

4、圍芯片。射頻前端 包括從天線到數(shù)字處理器之間的所有部件，基帶處理器則包括了<"cblue""相關(guān)器"title="相關(guān)器"> 相關(guān)器單元和嵌入式處理器單元，而外圍芯片則為各種存儲器和通信接口。? GPS射頻前端的功能包括放大、下變頻、濾波、自動增益控制和本地振蕩信號發(fā)生器。GPS衛(wèi)星發(fā)射的C/A偽碼以1.023MHz的碼率調(diào)制在1575.42MHz 的載波信號上，到達天線的衛(wèi)星信號功率大約為 -130dBm深埋于熱噪聲電平之 下（-114dBm/MHZ，因此射頻前端必須將 GPS信號放大到某一電平之上，使得 該信號能夠為基

5、帶處理器所利用。<"cblue""射頻電路"title="射頻電路"> 射頻電路還必須將1575.42MHz的載波下變頻到基帶處理器的工作頻率范圍之內(nèi)，一般 需要采用二級或多級下變頻。除接收 GPS信號外，射頻電路還需要對噪聲信號 進行抑制。? GPS基帶處理器包括兩個部分：進行數(shù)字信號處理的相關(guān)器單元和進行導 航應(yīng)用計算的嵌入式處理器單元。相關(guān)器單元對射頻前端經(jīng)過下變頻后輸出的 中頻信號進行采樣和接收，并通過數(shù)字的頻率鎖定環(huán)去除載波的多普勒頻移將 數(shù)字中頻信號轉(zhuǎn)化為基帶信號。基帶信號與本地偽碼發(fā)生器產(chǎn)生的C/A偽碼相關(guān)，

6、并通過數(shù)字的延遲鎖定環(huán)精確測量GPS信號的傳播路徑所導致的偽碼的相位延遲，轉(zhuǎn)換為用于導航應(yīng)用計算的偽距量。中頻信號經(jīng)過相關(guān)器單元移去多 普勒頻移和C/A偽碼后，嵌入式處理器可以獲得碼率為 50Hz的GPS導航信號， 其中包含衛(wèi)星軌道信息、健康狀態(tài)和誤差校正參數(shù)等。嵌入式處理器對獲得的 GPS導航信號進行解碼，計算出 GPS衛(wèi)星的位置和速度參數(shù)?；?GPS衛(wèi)星的 位置信息和衛(wèi)星與接收機之間的偽距量，嵌入式處理器可以計算出接收機的位 置、速度和時間參數(shù)。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 擴譜相關(guān)器的全數(shù)字式

7、基帶處理芯片。作為該公司的第二代 GPS芯片，它把一 個與GP2021相關(guān)器芯片功能一致的相關(guān)器單元和一個 ARM7TDM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個相關(guān)通道，每個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信號所需的所有元件外，還含有用于產(chǎn)生部分測量 數(shù)據(jù)的其他功能模塊。在必要時，相關(guān)器單元還可以關(guān)閉部分通道，以降低系 統(tǒng)功耗和處理器負載。1.2 GP2015射頻前端芯片? GP2015是應(yīng)用于GPSS收機的小型射頻前端芯片，它與 GP2010射頻前端 芯片的性能相同，但用TQFP封裝，適合于體積要求比較小的 GPS接收

8、機的設(shè) 計。GP2015各天線接收到的且通過低噪聲<"innerlink""放大器"title="放大器"> 放大器的1575.42MHz信號經(jīng)過三級變頻變到中頻 4.309MHz得到2位的數(shù)據(jù)流。GP2015 正常工作時需要有源天線增益大于+16dB2硬件設(shè)計? GPS接收機硬件設(shè)計主要包括射頻電路設(shè)計和<"cblue""數(shù)字電路"title="數(shù)字電路"> 數(shù)字電路設(shè)計。2.1射頻電路設(shè)計天線的選擇?根據(jù)所設(shè)計星載GPS接收機的航天應(yīng)用特點，選擇

9、Micropulse1621LW GPS 無源天線，其特點是簡單、堅固、體積小，適合于安裝在微小衛(wèi)星上，但需要 進行低噪聲前置放大器的設(shè)計。低噪聲前置放大器的設(shè)計?微型星載GPS接收機的低噪聲前置放大器采用 AM50-0002低噪聲放大器進 行設(shè)計，可以直接做在射頻電路板上，也可以與Micropulse1621LW GPS無源天線做成一體，以降低饋線損耗。AM50-0002的特性參數(shù)如下。射頻前端電路設(shè)計?射頻前端電路主要由GP2015和外圍電路構(gòu)成，其簡化原理圖如圖2所示。団?經(jīng)低噪聲前置放大器放大和濾波后的射頻信號(1575.42MHz)與鎖相環(huán)頻率合成器產(chǎn)生的第一本振信號(1.4GHz)

10、混頻，經(jīng)濾波后得到差頻信號(175.42MH0 ;該信號與第二本振信號(140MHz)混頻，經(jīng)過聲表面濾波器中心 頻率選擇得到差頻信號(35.42MHz);該信號經(jīng)兩個自動增益控制器(AGC)放大 后，與第三本振信號(31.11MHz)混頻，經(jīng)低通濾波器選出中頻信號(4.309MH0 ;該中頻信號隨后進入 A/D轉(zhuǎn)換器由5.714MHz的采樣頻率進行二 值量化，轉(zhuǎn)換為1.405MHz的二位數(shù)字信號一一符號(SIGN和模(MAG,分 別表示輸出信號的極性和幅值。最終輸出的數(shù)字中頻信號(1.405MHz供后續(xù) 的數(shù)字電路進行信號處理。?下面介紹射頻前端的外圍電路設(shè)計。? (1)第一級中頻濾波器?第

11、一級外置中頻濾波器位于第一級<"cblue"" 混頻器"title="混頻器"> 混頻器和第二級混頻器之間，要求它能夠濾除第二級中頻在第一級中頻的鏡像頻率 104.58MHz (140-35.42MHZ)，這個頻率對應(yīng)的射頻輸入頻率為1504.58MHz這些射頻鏡像頻率在前面的GPS天線和射頻濾波器被濾掉一部分，在第一級中 頻濾波器則被進一步濾除。?這一級濾波器的插入損耗最大不能超過 3dB,否則GPSS收機的增益將不 足以讓第三級混頻器中的AGCt路正常工作。這一級濾波器同時還要抑制干擾 信號電平，以免影響第二級混頻器。

12、? GP2015第一級混頻器輸出需要一個外置直流偏置以獲取最大的中頻信號處理空間。所以第一級中頻濾波器包含一個直流偏置連接到vcc這可以通過上拉電感來實現(xiàn)。由于從第一級混頻器到第二級混頻器的信號必須通過交流偶合，所以這一級濾波器電路可以設(shè)計成一個電感電容濾波網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。?用這種方式設(shè)計的濾波電路能夠濾除位于混頻輸出的絕大多數(shù)本振和射頻 信號。但是這一部分的PCB圖的元件布局要求非常嚴格，需要精心設(shè)計。因為 這一部分的元件間隙的任何變動都可能產(chǎn)生元件間的寄生振蕩現(xiàn)象。同理，這 些元件間的連接導線也需要精心安排，而且設(shè)計時要考慮在這一部分濾波器和 射頻信號輸入電路之間留有足夠的空間，以實現(xiàn)相

13、互隔離，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。?第二級中頻濾波器?這一級中頻濾波器位于第二級混頻器的輸出端和第三級混頻器的輸入端之 間，它的頻率特性對整個射頻前端乃至整個GPS接收機的性能的影響都非常大。本設(shè)計采用Zarlink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土 1dB當濾波器的輸入輸出端匹配好以后，它能 達到的濾波器性能在土 2.0MHz時優(yōu)于21dB,在土 7.5MHz時優(yōu)于35dB。這個性 能指標遠遠優(yōu)于設(shè)計指標。第二級中頻濾波器的電路原理圖如圖 4所示。?第三級中頻濾波器?第

14、三級中頻濾波器為GP2015的片上濾波器，中心頻率為4.3MHz= GPS接收 機總的射頻帶寬由第二級中頻濾波器定義，第三級中頻濾波器用于防止帶外噪 聲和干擾信號進入A/D轉(zhuǎn)換器。? (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，通過它來取出其中緩慢 變化的直流電壓分量來控制壓控振蕩器(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）基準振蕩器? GPS接收機幾乎所有頻率和時鐘信號（除了數(shù)字電路部分的RTC實時時鐘）本質(zhì)上都來自

15、于基準振蕩器，因而基準振蕩器的選擇對于GPS接收機的性能影響非常重要。?微型星載GPS接收機的基準振蕩器采用溫度補償晶體振蕩器 TXO515E在 室溫下的頻率穩(wěn)定度為1.5ppm,具體的電路設(shè)計如圖6所示。? （6）自動增益控制（AGC電路? GP2015采用部分內(nèi)置的自動增益控制（AGC電路，AGC電路的設(shè)計如圖7 所示。?自動增益電路是GPS接收機必不可少的控制電路之一。這是因為 GPS接收 機工作時，其輸出功率是隨外來信號強度的大小而變化的。GPS接收機所接收到的信號強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接收機輸出電平的變化范圍應(yīng)盡量小。如果信號過強，將使晶體管和

16、終端器件 過載以致?lián)p壞；如果信號過弱，GPS8收機又可能無法正常工作。因此，必須 采用AGC電路來自動控制GPS接收機的增益。? AGC電路能夠?qū)崿F(xiàn)當輸入信號電壓變化很大時，GPS接收機的輸出電壓基本保持不變。為了實現(xiàn)這個功能，必須有一個隨外來信號強度而改變的電流或電 壓來控制相關(guān)的增益。實際設(shè)計時，可使用一個外置電容（100 nF）,通過判斷 該電容上的電壓大小來確定信號的強弱。在調(diào)試時也可以通過檢測此電容上的 電壓變化來判斷AGCt路是否工作正常。2.2數(shù)字電路設(shè)計?微型星載GPS接收機的數(shù)字電路部分主要以 Zarlink公司的基帶處理器 GP4O20為核心進行設(shè)計。數(shù)字電路的設(shè)計工作主要

17、包括接口設(shè)計、電源設(shè)計和 存儲設(shè)計。數(shù)字電路的設(shè)計分為：輸入輸出接口設(shè)計、射頻電路接口設(shè)計、調(diào) 試接口設(shè)計和電源設(shè)計。下面介紹數(shù)字電路設(shè)計的各個部分。輸入輸出接口電路設(shè)計?微型星載GPS接收機一方面從外部獲得5V的輸入電源VIN,另一方面又可 通過RS232與計算機終端通信。此外，GPS 0E標準接口所定義的通用輸入輸 出管腳和保留管腳還可以用來輸入輸出 GPIO信號和一些調(diào)試信號。其余的管腳 定義還包括復(fù)位管腳、電池管腳和實時時鐘輸入輸出管腳等。射頻電路接口設(shè)計?數(shù)字電路部分與射頻電路的接口包括：射頻電路的電源、 40MHZI勺差分時 鐘信號、5.714MHz采樣信號、射頻功率監(jiān)控信號、射頻

18、 PLL鎖定指示信號和二值量化數(shù)字信號等。?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)時鐘發(fā)生 器接收來自GP2015的40MHz差分時鐘信號CLK_T和CLK_I,產(chǎn)生相關(guān)器、Firefly MF1 微控制器和總線等的時鐘信號。? GP2015的LD信號接入GP4020的RF_PLL_LOC管腳，當LD管腳由低變高時，表示射頻前端鎖相環(huán)路處于鎖定狀態(tài)，40MHz差分時鐘信號已經(jīng)穩(wěn)定。? GP2015的PRESET!號接入GP4020勺Power_Good管腳，指示當前電源的狀態(tài)，高為正常，低則迫使 GP4020進入調(diào)電模式。GP2015的SIGN和MAG言號分別接入到

19、GP4020勺SIGN0和MAG管腳，將數(shù)字 中頻信號輸入到相關(guān)器。? GP4020的 SAMPCL信號接入到 GP2015的 CLK管腳，將 5.714MHz的采樣信號輸出到GP2015對4.309MHz的中頻信號進行二值量化。接口電路設(shè)計? GP4020的Firefly 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：? 嵌入式在線仿真器(ICE)，通過ARM7TDM的 JTAG接口訪問；? (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 SSM調(diào)試接口訪問。?微型星載GPS接收機設(shè)計時采用了嵌入式ICE作為調(diào)試接口，其JTAG接口 電路設(shè)計如圖9所示。在

20、GP4020芯片中，通過NICE管腳(84)選擇ARM7TDMI 的工作模式，高為正常模式，低為ICE模式。電源電路設(shè)計?數(shù)字電路部分的電源設(shè)計實際上也包括了射頻電路的電源設(shè)計，其電路原 理如圖10所示。數(shù)字電路從外部的 GPS OEM標準接口電路獲得5V的電源輸入 VIN，并使用電源芯片MAX1692各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 VCCS過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，可以在接收機斷電時繼續(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)計結(jié)果?本微型星載GPS接收機為雙板接收機，射頻電路板和數(shù)字電路板分別進行 設(shè)計和制造，再通過螺栓螺母將兩個電路板固定為一體，并采用專門設(shè)計的接 口連接兩部分電路。微型星載 GPS接收機的電路原理圖和PCB圖都采用了 Protel99se軟件進行設(shè)計和繪制，選用器件基本上為表面貼器件。?射頻