GPS接收機12通道相關器GP2021的原理與應用

摘要：GP2021是Zarlink半導體公司生產(chǎn)的12通道C／A碼基帶相關器，該芯片與大多數(shù)16位和32位微處理器兼容，可用于GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的接收機。文中介紹了GP2021的主要特點和工作原理，給出了GP2021的典型應用。

關鍵詞：GPS；相關器；接收機；GP2021

１ ＧＰ２０２１的主要特點

ＧＰ２０２１是Ｚａｒｌｉｎｋ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司生產(chǎn)的１２通道Ｃ／Ａ碼基帶相關器，可用于ＮＡＶＳＴＡＲ ＧＰＳ衛(wèi)星導航系統(tǒng)的接收機，并可與Ｚａｒｌｉｎｋ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司的ＧＰ２０１５和ＧＰ２０１０ Ｃ／Ａ碼射頻下變頻器配合使用。

ＧＰ２０２１與大多數(shù)１６位和３２位的微處理器兼容，特別是Ｍｏｔｏｒｏｌａ和Ｉｎｔｅｌ公司的微處理器，此外，芯片上也有一些功能可支持ＡＲＭ６０ ３２位ＲＩＳＣ處理器，通過芯片內的存儲器管理功能可用最少的外部邏輯芯片實現(xiàn)ＧＰＳ接收機。ＧＰ２０２１中每個相關器通道可以分別控制。因此，對于不需要１２個通道的系統(tǒng)工作模式，可以僅激活所需的相關器通道，從而降低功耗。此外，通過使用備用電池可把電源電壓降低至２．２Ｖ，進一步降低接收機功耗。

圖1

ＧＰ２０２１的主要特點如下：

●１２個完全獨立的相關器通道；

●具有雙ＵＡＲＴ和實時時鐘；

●與多數(shù)１６位和３２位微處理器兼容；

●具有低電壓，低電流和低功率模式；

●典型功耗１５０ｍＷ；

●與ＧＰ２０１０和ＧＰ２０１５射頻前端兼容；

●后備電池電壓為２．２Ｖ（最小值）。

ＧＰ２０２１相關器可廣泛用于ＧＰＳ導航系統(tǒng)、ＧＰＳ測量接收機和時間轉發(fā)接收機中。

２ 工作原理

圖１所示為ＧＰ２０２１的功能原理框圖。ＧＰ２０２１相關器中集成有１２通道ＧＰＳ相關器，它的數(shù)字中頻數(shù)據(jù)來自射頻前端，控制功能由微處理器來實現(xiàn)。相關器內除了１２個通道相關器外，還有一些微處理器支持功能，包括雙ＵＡＲＴ和實時時鐘。ＧＰ２０２１可與ＡＲＭ處理器或其它形式的微處理器進行連接。

２． １ １２通道相關器

圖２所示為ＧＰ２０２１中１２通道相關器的功能框圖?？梢钥闯?，它內部由采樣鎖存器、時鐘產(chǎn)生器、時基產(chǎn)生器、地址譯碼器、狀態(tài)寄存器以及總線接口等組成。

圖2

采樣鎖存器可將來自射頻前端的同步數(shù)據(jù)與內部ＳＡＭＰＣＬＫ時鐘進行同步。在實模式下，下變頻的衛(wèi)星信號在前端輸出并以ＳＡＭＰＣＬＫ采樣。同時數(shù)據(jù)在ＳＡＭＰＣＬＫ的下一個上升沿重采樣。此后這些信號再被分配到１２個跟蹤模塊。在復輸入模式下，下變頻衛(wèi)星信號可直接應用到ＧＰ２０２１的ＳＩＧＮ０、ＭＡＧ０、ＳＩＧＮ１和 ＭＡＧ１輸入，以分別作為同相路的符號和幅度，正交路的符號和幅度。這些信號以５．８３３ＭＨｚ在相關器內進行采樣。

時鐘產(chǎn)生器可把從射頻前端得到的主時鐘ＣＬＫ Ｔ／ＣＬＫ Ｉ進行６或７分頻，以得到內部的多相位時鐘組。與ＧＰ２０１５連接時，由于主時鐘額定頻率是４０ＭＨｚ，故應在內部進行７分頻。工作于復輸入模式下時則應進行６分頻。與ＧＰ２０１５連接時，其ＳＡＭＰ-ＣＬＫ采樣時鐘為５．７１４ＭＨｚ。

時鐘產(chǎn)生器的主要任務是產(chǎn)生ＭＩＣＲＯ ＣＬＫ微處理器的時鐘信號，其頻率為主時鐘的一半。主要功能是作為ＡＲＭ系統(tǒng)模式時存儲器控制邏輯的同步時鐘。

時基產(chǎn)生器用于產(chǎn)生四個重要信號。其中ＡＣ-ＣＵＭ ＩＮＴ是累加器中斷信號，用于控制相關器累加器和微處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸，該信號可通過ＡＣＣＵＭ ＩＮＴ輸出進行檢測，也可通過讀?。粒茫茫眨?ＳＴＡ-ＴＵＳ Ａ寄存器進行檢測。ＴＩＣ是一個內部信號，默認值約為１００ｍｓ，用于同時鎖存所有１２個通道的測量數(shù)據(jù)（周期計數(shù)、碼相位、碼ＤＣＯ相位、載波ＤＣＯ相位、載波周期計數(shù)），其周期可以改變。ＭＥＡＳ ＩＮＴ是測量中斷信號。ＴＩＭＥＭＡＲＫ為時間標記，可作為秒脈沖信號。

２．２ 相關器中的跟蹤模塊

該模塊是１２個獨立的信號跟蹤模塊，編號ＣＨ０～ＣＨ１１。這些功能模塊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可用于跟蹤衛(wèi)星信號。圖３所示是跟蹤模塊的原理框圖。每一個跟蹤通道可獨立編程，并可工作于Ｕｐｄａｔｅ（更新）模式或者Ｐｒｅｓｅｔ（預設）模式。其中更新模式是普通模式。預設模式是特別的工作模式。

由圖３可以看出，ＧＰ２０２１的跟蹤模塊中主要包括載波ＤＣＯ、碼ＤＣＯ碼數(shù)控振蕩器、載波周期計數(shù)器、Ｃ／Ａ碼產(chǎn)生器、數(shù)據(jù)源選擇器、載波混頻器、碼混頻器、累加與清零、碼相位計數(shù)器、碼掃描計數(shù)器以及周期計數(shù)器等部分。

３ 典型應用

圖４所示是使用ＧＰ２０２１設計的典型ＧＰＳ接收機，由ＧＰ２０１０或ＧＰ２０１５射頻前端、ＧＰ２０２１相關器以及ＡＲＭ６０ ３２位ＲＩＳＣ微處理器組成。該系統(tǒng)可以使用單個射頻前端，因為所有的ＧＰＳ衛(wèi)星都使用相同的Ｌ１天線，頻率為１５７５．４２ＭＨｚ。但是為了獲得更廣的空間覆蓋，有時需要使用多根天線，這時就需要多個獨立的射頻前端。在射頻部分，ＧＰ２０１０或ＧＰ２０１５可對Ｌ１信號進行下變頻以進行數(shù)字基帶處理，然后將得到的信號在ＧＰ２０２１中與本地產(chǎn)生的Ｃ／Ａ碼進行相關處理。每一相關通道可以使用各自的碼字，這樣１２個相關器通道就可以同時工作以捕獲和跟蹤多達１２顆衛(wèi)星。把相關器的輸出數(shù)據(jù)送到微處理器便可得到導航信息和控制跟蹤環(huán)路信號。

為抑制雜散，保證相關器的正確工作，應減小相關器ＧＰ２０２１和射頻前端相連接所產(chǎn)生的干擾。并使ＧＰ２０２１相關器的ＳＡＭＰＣＬＫ信號諧波達到最小，以使其不會混到ＩＦ鏈路的通帶內。

ＧＰ２０２１的ＳＡＭＰＣＬＫ輸出和ＧＰ２０１５的ＣＬＫ輸入間應串連一個１．５ｋΩ的電阻，它與ＣＬＫ腳的輸入電阻構成一個濾波器，可以抑制ＳＡＭＰＣＬＫ信號的高次諧波。在射頻前端送來的數(shù)據(jù)進入ＧＰ２０２１前，也應采取類似措施，即在ＧＰ２０１５的ＭＡＧ和ＳＩＧＮ輸出端與ＧＰ２０１０的輸入端之間串連一個４７０Ω的電阻。

此外，為了抑制干擾，還要考慮電源解耦和布線，考慮關鍵元件的放置和印制板地平面的設置。