GPS接收机 混频器

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GPS 混频器模块电路设计
第一章 绪论
1.1 GPS 原理概述
历时 20 年、耗资 200 亿美元的 GPS 由三个独立部分构成：空间星座部分、 地面监控部分和用户设备部分。整个 GPS 系统的工作原理简单的描述如下：首 先，空间星座部分的各颗 GPS 卫星向地面发射信号；其次，地面监控部分通过 接收、测量各个卫星信号，进而确定卫星的运行轨道，并将卫星的运行轨道信息 发射给卫星，让卫星在其发射的信号上转播这些卫星运行轨道信息；最后，用户 设备部分通过接收、 测量各颗可见卫星的信号，并从信号中获取卫星的运行轨道 信息进而确定用户接收机自身的空间位置。 GPS 与子午卫星系统的一个重大区别 在于： GPS 用户设备部分测量的是它们到卫星的距离， 而不再以信号的多普勒频 移为主要测量值。
关键字：GPS
信号捕获跟踪
混频器
II
ABSTRACT
With the increasingly wide range of applications of global positioning system in the field of maritime, aviation, aerospace, exploration, mapping, communications, satellite navigation receiver R & D has become one of the hot research topic in today's world.The GPS receiver is measured through a combination of navigation satellite signals and ranging systems, and solving it by the RF front-end unit, baseband processing unit and positioning of application unit. Baseband processing unit, the acquisition and tracking the most important signal processing as a receiver, a key technology for navigation and positioning functions. This subject focuses on the circuit design of the GPS receiver mixer module Keywords: GPS Signal acquisition and tracking
2.2 混频器基础知识 ................................... 6
2.2.1 混频器概念 ........................................................................................................... 6 2.2.2 混频器的性能指标 ............................................................................................... 7
1.1 GPS 原理概述....................................... 2 1.2 全文框架与内容概述 ................................ 2
第二章 混频器原理介绍 ............................... 3
2.1 Verilog HDL 语言简介 .............................. 3
1.2 全文框架与内容概述
本文研究了 GPS 中的混频器原理以及混频器的 FPGA 实现。本文共分四章： 第一章：GPS 的现状以及其基本原理 第二章：混频器原理介绍 第三章：混频器各个模块的详细设计 第四章：论文总结
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GPS 混频器模块电路设计
第二章
混频器原理介绍
2.1 Verilog HDL 语言简介
目录 摘要 ................................................ II ABSTRACT ........................................... III 引言 ................................................. 1 第一章 绪论 .......................................... 2
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GPS 混频器模块电路设计
系统级设计
模块 A
模块 B
模块ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱA1
模块 A2
模块 A3 图 2.1
模块 B1
模块 B2
模块 B3
自顶向下设计流程图
在不同层次做具体模块的设计所用的方法有所不同。 在高层次上往往需要编 写一些行为级的模块， 通过方针加以验证，其主要目的是对系统性能的总体考虑 和各模块的指标分配， 并非具体电路的实现，因而综合机器以后的步骤往往不需 要进行。而当设计的层次比较接近底层时，行为描述往往需要用电路逻辑实现， 这时的模块不仅需要通过方针加以验证，还需要进行综合，优化，布线后仿真。 总之，具体电路是从底向上逐步实现的。 2.1.3 HDL 设计流程
第三章 混频器的设计与实现 ........................... 10
3.1 混频单元总体设计 ................................. 11 3.2 子单元模块的设计 ................................. 12
3.2.1 载波发生器单元 ................................................................................................. 12 3.2.1.2 直接数字频率合成（DDS） ........................................................................... 13 3.2.1.3 NCO 模块设计 .................................................................................................. 14 3.2.2 译码单元.............................................................................................................. 15
2.1.1 概念....................................................................................................................... 3 2.1.2 Verilog HDL 的设计方法 ................................................................................... 3 2.1.3HDL 设计流程 .......................................................................................................... 4
第四章 总结 ........................................ 17 参考文献 ............................................ 19
I
摘要
随着全球定位系统（Global Positioning System,GPS）在航海、航空、航天以 及勘探、测绘、通信等领域日渐广泛的应用，卫星导航的接收机的研发成为了当 今世界的热门研究课题之一。 GPS 接收机是通过结合艘导航卫星信号进行测时和 测距的系统，它由射频前端单元、基带处理单元和定位解算与应用单元组成。基 带处理单元中， 捕获跟踪作为接收机中最重要的信号处理过程，是实现导航定位 功能的一项关键技术。本课题的重点放在 GPS 接收机中的混频器模块的电路设 计。
Mixer
III
引言
GPS 系统的前身是美军研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit） ，1958 年 研制，1964 年正式投入了使用。此系统用 5 至 6 颗卫星组成的卫星网工作，每 天可绕地球 13 周，并且无法给出高度信息，而且定位的精度也不如人意。但是， 子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验， 并验证了由卫星系统进 行定位的可行性，为 GPS 系统的研制埋下了铺垫。随着航天技术、电子技术和 计算机技术的迅猛发展， 以及人们对导航定位服务的要求日益增高，卫星导航定 位系统得到了快速的发展。目前全球主流的卫星导航定位系统有:美国的全球定 位系统(GPS)、俄罗斯的全球导航卫星系统 (The Global Navigation Satellite System，GLONASS)，欧盟计划在 2013 年建成的伽利略(GALILEO)系统，以及 我国正在建设的北斗 (COMPASS)卫星导航系统。其中应用最为广泛的是美国的 GPS。 从 GPS 系统的建成至今，接收机技术随着电子工业的发展而发生了巨大的 演变。 GPS 建立时的第一款接收机采用的是模拟信号处理技术， 微处理器仅进行 应用计算，接收机体积大且功耗高[5]。集成电路以及数字信号处理技术不断发 展，已经取代了模拟信号处理技术。现代 GPS 接收机普遍使用专用集成电路 (Application Specific Integrated Circuit，ASIC)进行信号的处理，其运算速度快并 行度高， 能够满足实时处理的需要。 但采用 ASIC 芯片的接收机， 其可扩展性差， 芯片设计开发周期长， 因此近年来基于软件无线电的软件接收机技术获得了广泛 的发展。基于通用处理器和可编程处理器的软件接收机在 GPS 接收技术研究的 各个领域发挥着重要的作用。 随着微电子和半导体技术的迅猛发展以及电子设计自动化(Electronic Design Automation，EDA)技术的不断完善，在电子系统的生产中，FPGA 的使用也越来 越多。相对于传统的 ASIC 芯片，FPGA 的优势有:使用强大的设计工具缩短开发 周期，提供元器件的优质利用性，设计简便，降低设计成本，提高设计的灵活性 等。