摘要：對GPS射頻前端進行了研究與設計，實現(xiàn)了GPS信號射頻到數字中頻的轉化過程。應用GP2010芯片設計出了符合要求的GPS射頻前端，包括前端濾波器、低噪聲放大器，以及中頻濾波器。介紹測試系統(tǒng)的搭建，對實際制作的電路板進行調試，并得出測試結果，為后期基于FPGA實現(xiàn)GPS基帶數字信號處理提供GPS數字中頻信號，為自主設計GPS接收機奠定了基礎。
關鍵詞：GPS接收機；射頻前端；GP2010；低噪聲放大器

0 引言
    GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是由美國國防部于1973年提出，歷時20年建立起來的新一代精密衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。  GPS作為一種全球性、全天候的連續(xù)、實時定位系統(tǒng)，具有在海陸空進行全方位、實時、三維導航與定位的能力，能為用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置、速度和時間基準。
    目前，我國正在實施北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Bei Dou (COMPASS)Navigation Satel-lite System)建設工作，規(guī)劃相繼發(fā)射5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。按照建設規(guī)劃，在2012年前后，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將首先提供覆蓋亞太地區(qū)的導航、授時和短報文通信服務能力。在2020年前后，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。長期以來，我國GPS接收機以國外引進為主，大多數接收機還都是基于國外的GPS專用處理芯片，不僅價格昂貴，而且性能上受到國外技術限制，無法滿足軍事等領域的要求。由此可見，開發(fā)具有自主知識產權的GPS數字接收機具有戰(zhàn)略意義，自主開發(fā)GPS接收機不僅可以突破國外的技術限制，使GPS接收機適用于高動態(tài)、實時性要求較高的環(huán)境中，而且可以為開發(fā)“北斗”導航定位接收機，促進“北斗”導航定位系統(tǒng)的發(fā)展提供技術支持和積累寶貴經驗。本文主要介紹以GP2010為核心的GPS前端系統(tǒng)的設計。

1 移動GPS前端整體設計
    該設計是圍繞Zarlink公司的專用芯片GP2010進行的，天線接收到GPS衛(wèi)星發(fā)射的L1頻段載波信號，首先經過無源帶通濾波器和低噪聲放大器后，進入GP2010芯片。通過三級下變頻，經過放大、濾波等調整后將射頻信號轉換為中頻信號，然后由兩比特模數采樣器轉換為數字信號，以便后續(xù)基帶電路進行相關處理。
1．1 前端射頻信號處理模塊GP2010
    GP2010是Zarlink半導體公司生產的GPS接收機射頻前端專用芯片，提供了一個低功率、低成本和高可靠性的GPS射頻前端解決方案。該芯片采用TQFP44封裝，工作電源為3～5 V，功耗200 mW(3 V電壓)。天線接收到的衛(wèi)星L1頻段導航定位信號，經過無源濾波器、低噪聲放大器以及阻抗匹配的微帶線路輸入到GP2010，完成1．2節(jié)中設計的下變頻方案，從而實現(xiàn)射頻信號到數字中頻信號的轉換。
    GP2010包括片上頻率合成器、分頻器、混頻器、自動增益控制器(AGC)和一個提供符號與量級數字輸出的量化器。利用該專用芯片僅需少量的外圍電路及少許電子元件，即可構成一個完整的GPS接收機射頻前端電路。該專用芯片可與zarlink公司生產的12通道數字相關器GP2021相關器或GP4020基帶處理器配套使用，組成一個完整的GPS接收機硬件平臺。該專用芯片雖然可完成頻率合成、混頻、濾波以及模數轉換等主要功能，但基準時鐘的晶體振蕩器匹配電路、第一級中頻濾波電路和第二級中頻濾波電路由片外完成，必須自行設計。第三級中頻濾波器為片上濾波器，濾波在片內完成，其輸出中心頻率為4．309 MHz的中頻信號。
1．2 第一級中頻濾波電路設計
    GP2010進行三級下變頻時，本振信號混頻會同時產生衛(wèi)星信號的上邊帶和下邊帶，在混頻器之后采用三級中頻帶通濾波器選擇下邊帶，濾去上邊帶和漏進來的信號，利用三級優(yōu)化濾波來提高接收機抗干擾能力。GP2010的第一級下變頻將衛(wèi)星導航定位信號由1 575．42 MHz下變頻為175．42 MHz。第一級中頻濾波器放置在一級變頻的輸出端和二級變頻的輸入端，達到對一級中頻進入二級混頻時的干擾信號、二級中頻的鏡頻干擾信號以及射頻的鏡頻干擾進行有效濾除。當然這些都能通過RF濾波器來進行消除，但根據Zarlink半導體公司生產資料要求，仍然推薦使用第一級的中頻濾波器。GP2010的第一級混頻輸入需要DC偏移來實現(xiàn)最大的中頻信號處理空間，通常第一級中頻濾波應該包含一個DC連接，它通過1只上拉電感器來實現(xiàn)。同時考慮到從第一級到第二級的信號之間存在交流耦合，因此對路徑進行交流去耦，在設計中交流去耦電路采用了兩個帶有諧振器的耦合可調的IC濾波器完成。第一級中頻濾波器的電路原理圖如圖1所示。

1．3 第二級中頻濾波器的設計
    第二級濾波器串接在二級混頻后的中頻輸出與三級混頻的輸入之間，以達到對二級混頻輸出的中頻信號進行濾波，減小對三級混頻的干擾。由二級混頻輸出差頻信號的特點可知，要求該級濾波器的中心頻率應為35．42MHz，帶寬為±1 MHz。根據Zarlink半導體公司有關GP2010相關資料要求，該濾波器插入損耗1．4～1．8 dB之間，帶寬為2 MHz，同時對帶外信號至少要求20 dB的衰減。第二級中頻濾波器的電路原理圖如圖2所示。

2 GPS射頻前端實際電路板
    設計成功的GPS射頻前端實物如圖3和圖4所示。該電路扳的接口共有4個，分別為：電源接口、RF輸入接口、中頻輸出接門以及基帶處理器連接接口。各端口描述如下。
    (1)電源接口：外接5 V的直流電壓，經LM1117電源模塊輸出給GP2010及天線3．3 V的工作電壓。
    (2)RF輸入接口：接前面設計的有源天線。
    (3)中頻輸出接口：該接口輸出4．309 MHz的模擬中頻信號，其直流偏置電壓約為1．7 V。
    (4)基帶處理器連接接口：該接口有14個管腳，該端口主要輸出量化的數字中頻信號以及其他控制信號，同時，5．714 MHz的采樣信號也通過該端口進入GP2010。

3 前端測試結果與分析
    為了定性了解所設計的GPS射頻前端性能，需要對其進行主要指標測試，包括下面幾個部分：一為輸入端口駐波比測試；二為射頻前端變頻能力測試；三為射頻前端整體增益測試；四為射頻前端整體噪聲系數測試。但是由于實驗室的實驗設備有限，所以只對電路板的前端變頻能力和整體增益進行測試，下面分別給出測試平臺結構及測試結果。
3．1 射頻前端變頻能力測試
    通過GT-201掃頻儀輸出一個正弦信號，用AT6030D頻譜分析儀測量各級的輸出頻率。由于掃頻儀比較難調出一個精確的1 575．42 MHz的信號，只能調出附近值，本次實驗輸出信號頻率為1 575．25 MHz。射頻信號經過第一級混頻器和1 400 MHz的本振信號進行混頻，輸出的第一中頻理論值應為175．25MHz，實際測量值為175．57 MHz，可以看出測量值和理論值基本上差不多。第一中頻信號進入第二級混頻器，本振信號為140MHz，第二中頻理論值應為35.57MHz，實測值也是35.57MHz。第二中頻再進入第三級混頻器，第三級混頻的本振信號為31.11MHz，那么第三中頻輸出的理論值為4．46 MHz，實測為4．42 MHz，各級頻率如表1所示。

3．2 增益測試
    由于該射頻前端的射頻輸入端口阻抗為50 Ω，而GP2010的模擬中頻輸出端口的阻抗非50 Ω，為1 000 Ω。因此，增益的大小只能通過電壓的增益來判斷。輸入射頻信號由信號發(fā)生器輸出，如圖5所示，中頻模擬信號的輸出幅度由DS1102CA示波囂進行測量，如圖6所示。通過對比射頻輸入信號和中頻輸出信號的電壓幅度可以得到整個前端的增益。

    從圖5可以看出，GPS射頻前端的信號功率為-90 dBm，轉化為電壓是7．07μV。由圖6示波器測試得到的射頻前端中頻輸出端口波形可以看出，此時的信號幅度為22 mV，通過計算信號前后的電壓增益，可知前端的整體增益大致為70 dB。如果再加上整個射頻電纜的損耗，那么整個前端的增益差不多為72 dB。

4 結語
    該設計對硬件電路板、測試過程以及結果進行了分析，主要測試了變頻結果和整體增益大小，從測試結果可以得出：設計得到的GPS射頻前端可以比較好地完成下變頻，而對于放大部分，由于實驗儀器的限制，只能測試到72 dBm，這些寶貴的數據，對于進一步對GPS前端系統(tǒng)的研究將起到重要的作用。