GNSS接收机的射频电路设计与应用

文章结合实际工作经验，以一种新型的GNSS接收机射频电路GP2015为例，就其射频电路设计和应用方面的内容进行了分析与探讨。

射频前端电路是GNSS接收机结构中的一个重要组成部分。本文所介绍的基于GP2015芯片的射频前端电路，采用了一款由Zarlink半导体公司所设计、生产的集成电路芯片，它采用多种先进的设计技术，可极大的改善传统电路中的高频干扰问题，是一个高可靠性和低成本的射频电路解决方案。

1 GNSS接收机概述

1.1 GNSS系统的概念

GNSS系统是指全球导航卫星系统，它是20世纪90年代中期欧盟提出的一种综合星座系统，也是所有在轨工作的卫星导航系统的总称。其中主要包括了美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)、欧盟的Galileo卫星导航定位系统，以及我国的北斗卫星导航系统(COMPASS)等等。开发GNSS综合系统的宗旨是为了综合利用所有导航卫星的信息，以提高GNSS系统的导航和定位精度、可靠性、安全性以及解决GPS系统目前应用中所遇到的难点问题。

1.2 GNSS接收机结构

GNSS接收机的基本功能包括了接收卫星信号、测量定位、距离测量、数据解析等多个方面，并能够实现定位和定时的功能。一个典型的GNSS接收机的体系结构，主要包括了四个功能模块：天线模块、射频前端模块、基带处理模块和应用处理模块。

2 基于GP2015的射频电路整体功能设计

射频前端电路的主要功能是实现信号从高频到中频、从模拟到数字的转换。GPS信号经过天线后，首先进入到射频前端，经过多次混频得到频率较低的中频模拟信号，再由模数转换器转换为数字中频信号，供基带处理模块实现信号的捕获和跟踪。在图1中，即为GP2015射频电路的工作原理图。

如图1所示，GP2015射频电路的工作原理为：(1)GPS卫星信号经过天线后，然后通过放大滤波装置将信号放大后，得到L1信号，其带宽为1575.42MHz。(2)L1信号受振荡器影响，首先得到一级混频信号，其带宽为1.4GHz;然后再经过二级滤波器、三级滤波器依次得差频信号，其带宽分别为140MHz和35.42MHz。(3)该差频信号首先通过自动增益放大器(AGC)，将信号放大后通过三级混频器与三本振信号之间产生混频，再由低通滤波器获取频率较低的中频模拟信号，其带宽为4.309MHz。(4)中频模拟信号首先进入A/D模数转换器中，使信号转换为二位数字中频信号，分别为SIGN(数字信号极性)和MAG(信号幅值)。所得到的数字中频信号，可用于供基带处理模块实现信号的捕获和跟踪，还可用于控制自动增益放大电路的运行。

3 基于GP2015的射频电路的结构设计与应用

3.1 输入端的匹配设计

基于GP2015的GNSS接收机射频电路在输入端的匹配设计电路图，详见图2所示。

如图2所示，由于要求GPS卫星信号经过天线后得到的L1信号的带宽应为1575.42MHz。然而天线前端所得信号的带宽和电平都偏低，容易使得有用信号被噪声影响到，因此在输入端必须采用射频滤波器将大量噪声去除。在该输入端的匹配设计中，采用了A1571f型号的射频滤波器，要求GPS卫星输入信号需经过该滤波器后，才可进入到射频电路中。

3.2 滤波器的设计

3.2.1 一级变频滤波器设计

一级变频滤波器主要设计参数和指标为：插入损耗控制在3db以内;中心频率为175.42MHz;第二级变频滤波器的射频端和镜像频率分别为104.58MHz和1504.58MHz;1.0db带宽和3.0db带宽分别为±1MHz和15MHz。

由于第一级混频器输出的中频信号，需要通过一个外置的直流偏置装置来使得信号获得足够的处理空间。因此，在设计中可将一级变频滤波器包含一个直流偏置器，并将其连接到电路中。同时，为了保证一、二级混频器的信号能够交流耦合，需要将一级变频滤波器的电路设计为一个包含电容和电感的滤波网络。

3.2.2 二级变频滤波器设计

二级变频滤波器主要设计参数和指标为：插入损耗控制在14～18db以内;中心频率为35.42MHz;第三级变频滤波器在射频端和在第二级变频滤波器中的镜像频率分别为26.8 MHz和1566.8 MHz;1.0db带宽和3.0db带宽分别为±1 MHz和15 MHz;输入阻抗典型值50Ω，输出负载阻抗典型值100Ω。

二级变频滤波器的设计，主要将其设置在二、三级混频器之间。由于这一级的变频滤波器的性能，对于整个电路和GNSS接收机的性能都着重要的影响，因此需尽量选用性能可靠、优秀的专用滤波器装置。在本文中，设计采用了声表面(SAW)带通滤波器DW9255作为二级变频滤波器。经检测，其各方面性能指标都高于所要求的设计指标，能满足设计要求。

3.3 晶体振荡器设计

在GP2015射频前端电路中，几乎大部分频率源均是由晶体振荡器所提供的。例如，第一级混频本振频率的产生方式，为晶振频率(VCO)/140，而第二级混频本振频率的产生方式为VCO/10等等。因此，在射频电路的整体设计时，需要外置一个晶体振荡器，并由该设备所产生的振荡环路来提供电路中所需的频率源。

在本文设计中，考虑到晶体振荡器的稳定性对整个射频电路的工作性能有着非常重要的作用。因此选取了TCXO4080型号的晶体振荡器，它是一种温补型晶体振荡器，其稳定度能高达到10e-8，可充分满足设计需要。

3.4 AGC检测电路的设计

GP2015采用了部分内置的AGC电路。要求所设计的放大增益电路，即使在输入信号电压的变化幅度较大时，仍能控制整个GNSS接收机的输出端电压值保持不变化。在本文设计中，在AGC电路中设置了一个外置型电容。该电容的设置，不仅能通过其电压大小的改变幅度来判定输入信号强度，而且还可以借此判定电容是否处于正常工作状态。

3.5 接口设计

基于GP2015的射频前端电路可以与GP4020基带处理器相配套使用，在接口的设计时，要求能够实现卫星信号、采样信号、时钟信号、控制信号等信号的良好传递。其中，GP2015和GP4020的接口的设计，详见图3所示。

从图3中可以看出，GP2015和GP 4020管脚的相连方式。其中，GP2015中的LD管脚与GP4020的56管脚相连，其功能主要是判定射频前端是否锁相成功;GP2015的SIGN管脚和GP4020的61管脚相连，GP2015的MAG管脚和GP4020的62管脚相连，其功能主要是将中频数字信号输出到相关器中;GP2015的PRESET管脚和GP4020的POWER_GOOD管脚相连，其功能主要是判定当前电路电源的使用状况。

4 总结

该射频电路方案的设计与应用，不仅极大的将高频通道设计进行了简化，有效避免了在普遍分散设计中的高频干扰问题，而且仅需要极少数外部元件就构成一个完整的GPS射频前端，并可以与GP4020基带处理器和相关器相配套使用。