基于單芯片的GPS接收機硬件設計

摘要： 給出了基于Hammerhead實現(xiàn)單芯片GPS接收機的硬件設計，給出射頻PCB設計方案。

關鍵詞： GPS接收機；Hammerhead；射頻

引言

GPS(全球定位系統(tǒng))發(fā)展到今天，其用途越來越廣泛，而技術的進步和用戶需求也不斷推動GPS系統(tǒng)的增強。目前美國正在致力于GPS Block II系統(tǒng)的現(xiàn)代化和“GPS - III”計劃，旨在全面改善GPS的生命力、精度、可用性、完好性、靈活性和安全性。

GPS用戶端設備也處于不斷升級和發(fā)展之中。從接收機的結(jié)構(gòu)來看，隨著VLSI(超大規(guī)模集成電路)和DSP技術的發(fā)展,單通道序貫式、時分多路復用式接收機早已被采用DSP模塊的并行多通道接收機所代替，所能達到的通道數(shù)和等效相關器數(shù)不斷增加，集成度更高的內(nèi)嵌MPU/ MCU的GPS基帶處理器芯片成為主流，將射頻和數(shù)字處理集成在一起的單芯片接收機產(chǎn)品也已經(jīng)問世。

本文介紹了一種單芯片GPS接收機的硬件設計。該方案采用Hammerhead芯片,該芯片集射頻與基帶GPS功能于一身，具有低功耗、高性能、尺寸小的特點。

Hammerhead

Hammerhead是一款由英飛凌科技公司和Global Locate公司合作開發(fā)的高集成度單片GPS接收機IC，片內(nèi)集成了低噪聲放大器、混頻器、自動增益控制器、A/D、線性穩(wěn)壓器、鎖相環(huán)、數(shù)字基帶。由于它的超大規(guī)模集成度，Hammerhead片外只需很少的元件即可構(gòu)成一個GPS接收機，大大降低了元件成本以及PCB面積。 Hammerhead使用大規(guī)模并行關聯(lián)技術來接收衛(wèi)星以八個并行信道發(fā)射的信號，并將它們同32,000多個相關器中的參考碼進行比較。與車輛導航系統(tǒng)中常用的接收器相比，該技術可以大幅縮短首次定位時間，并可以顯著減少功耗。Hammerhead具有靈活結(jié)構(gòu)的PLL，巧妙地使用了目前手機設計中采用的功能單元，如用于高精度參考時鐘頻率(10~40MHz)和實時時鐘頻率(32,768kHz)的晶振，支持在3G、GSM、CDMA電話中應用。片上的LNA允許連接無源的或者有源的天線到Hammerhead。標準的UART端口、SPI和I2C接口，使其可以與任何一種目標系統(tǒng)進行連接。
Hammerhead提供6種功耗模式，1分鐘只定位1次的情況下功耗可低至0.3mW。另外，除了具有傳統(tǒng)的GPS定位功能外，Hammerhead還支持A-GPS，LTO等工作模式，在室內(nèi)、野外等GPS衛(wèi)星信號極弱或者無法收到GPS信號的情況下也能定位。

GPS接收機硬件設計

射頻前端

圖1和圖2分別是使用無源天線和有源天線時射頻前端的電路圖。

圖1  使用無源天線時的射頻前端

圖2 使用有源天線時的射頻前端

當使用低增益(10～15dB)的無源天線時，接收到的GPS信號需要經(jīng)過濾波后送給Hammerhead的LNA，Global Locate推薦使用Epcos公司的B9000 SAW濾波器。在LNA的輸入和輸出引腳需要匹配網(wǎng)絡，匹配阻抗為50Ω。同樣，LNA的輸出在送給混頻器之前也需要使用濾波器來抑制帶外信號，Global Locate推薦使用Epcos公司的B7840 SAW濾波器，經(jīng)該濾波器輸出的平衡差分信號對可以直接送給Hammerhead的混頻器差分輸入引腳。

如果使用高增益(25～30dB)的有源天線，無需使用內(nèi)部LNA，直接將接收到的GPS信號經(jīng)過B7840濾波后送給混頻器即可。因為需要給天線供電，因此在天線電源處采用了LC濾波(L1,C2)用來濾除由電源進入的高頻噪聲。C3用來隔直，防止直流偏置進入混頻器。另外要注意增加合適的衰減器，防止混頻器過載。假設混頻器輸入信號最高增益為18dB，天線接收器增益為28dB，天線線纜衰減1.4 dB/m，長度為3m，可以增加一個T型電阻衰減網(wǎng)絡，其衰減系數(shù)＝28－18－3