GPS接收机射频前端电路
基于NJ1006的GPS接收机射频前端电路设计
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：Ｇ Ｓ Ｒｅ ｅｖ ｒ Ｊ ０ ６ Ｃ ｉ Ｐ ｃ ｉｅ ；Ｎ １ ０ ｈｐ
Ｏ 引 言
Ｎ １０ 是一个高集成度的单片 Ｇ Ｓ Ｊ０６ Ｐ 接收机射 频前端 Ｉ ， Ｃ 目标是满足价格敏感的便携式和汽车 应用． Ｊ０６集成 了 Ｌ Ａ 和本机 振 荡器 的谐 振 回 Ｎ １０ Ｎ 路， 减少 了外 部元 器件 数 量 和 Ｐ Ｂ的面 积． Ｊ０６ Ｃ Ｎ『 ０ １
接 收机 ．
晶体振荡器， 基准频率 １．６ Ｈ ， ６３８Ｍ ｚ也支持在 ３ Ｇ、
Ｇ Ｍ、 Ｄ Ｓ Ｃ ＭＡ 和 Ｐ Ｃ电话 中应 用． 线检 测器 和开 Ｄ 天
关支持系统在汽车等需要有源天线的应用． 天线检 测器也 可 以检测 有源天线 开路或者短 路 ， 限制所提 供的电流， 保护天线和接收机．
维普资讯
第２ ０卷第 １ 期
２０ ０６年 ３月
南华大学学报 （ 自然科学版 ）
ｃ ｏ Ｊｕ ａ ｏ ａｈ ａＵ ｉ ｒｔ（ ｃ ｎｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈｎ ｌ ｏｒ ｌ ｆ ｎ ｕ ｎｖ ｓｙ Ｓ ｉ ｃ ｎ ｎ Ｎ ｅｉ ｅ
． —
Ｖｏ ＿ Ｏ Ｎ ． ｌ２ ｏ １ Ｍａ ． Ｏ ６ ｒ２ ｏ
—
文 章 编 号 ：６ ３— ０ ２ ２０ ） １ ０ ７ ０ １７ ０ ６ （０ ６ ０ — ０ ３— ４
基 于 Ｎ １０ Ｊ０ ６的 Ｇ Ｓ接 收 机射 频 前 端 电路 设 计 Ｐ
唐 中文 ， 陈世 和 ， 张 迅
（ 南华大学 电气工程学院 湖南 ， 衡阳 ４ １０ ） ２０ １
摘
要 ： Ｊ０ ６是 一 个 高集成度 的单 片 Ｇ Ｓ接 收 机 射 频 前 端 集成 电路 ， 文介 绍 了 Ｎ ｌｏ Ｐ 本
基于GP2015射频前端电路的GPS接收机设计
【文献标识码 】Ａ
【文章编号 】１００８—１１５１（２００７）１２—００２８—０３
（一 ）引言 ＧＰＳ（全球定位系统）以全天候、高精度、 自动化 、高效率
等 显著特点及其所独具的定位 导航、授时校频 、精密测量等多 方面的强大功能 ，使其用途越来越广泛 。ＧＰＳ卫星发送 的导航 定位信 号是一种可供无数用户共享 的信 息资源。对于陆地 、海 洋和空 间的广大用户，只要用户拥有 能够接 收、跟 踪、变换和 测量 ＧＰＳ信号的接收 设备 即 ＧＰＳ信号接收机 ，就可 以在任何时 候用 ＧＰＳ信号进行 导航 定位测量 。
【摘 要 】概述 了 ＧＰＳ接收机基本工作原理 ，提 出了一种基于 ＧＰ２０１５射频前端 电路 的 ＧＰＳ接 收机 方案。详细说 明 ＧＰ２０１５
射 频放 大器的设计原理 以及外 围匹配电路设计方法。重点叙述 了接 收机软硬件设计思路和方法。
【关键词 】ＧＰＳ；前置放大；变频 ；相 关器；
【中图分类－ｇ－］Ｐ２２８．４
低噪声放 大器 是 ＧＰＳ射频接收器 中最重要的部分，放大器 基本上可 以决定整个接收机 的噪 声大 小，与之匹配 的射频前端 电路 实现 ＧＰＳ信 号的下变频 ，经 ＡＤ转换得到数字 中频信号 。图 ２示 出 ＧＰ２０１５的基本设计应用 电路 。
图 １ ＧＰＳ接 收 机 基 本 结构 示 意 图
ＧＰＳ信 号接 收机的功能 是能够 捕获到按一 定卫星 高度截 止角所选择 的待测卫星的信 号，并跟踪这 些卫星的运行 ，对接 收到 的 ＧＰＳ信号进行变换 、放大和处理、以便测量 出 ＧＰＳ信号 从卫星接收机天线的传播时间，解译 ＧＰＳ卫星所发送 的导航 电 文 ，实时地计 算出测站 的 ３维位置甚至 ３’维速度和时 间。目前， 卫星导航 的应用 已经遍及 军事 、航海 、航空 、测量、交通 、勘 测等几乎一切与位置、速度 、时间有关的人类活 动中。在各种 全球定位系统不断发展的同时，ＧＰＳ用户端 设备也处于不 断升 级和发展之 中。
GPS接收机射频前端电路原理与设计
GPS接收机射频前端电路原理与设计
何宇云
【期刊名称】《电脑乐园》
【年(卷),期】2021()11
【摘要】GPS 它是由美国开发的卫星导航定位系统,为全球用户提供高精度定位,
导航和定时服务。
随着GPS 技术的发展,申请领域越来越广泛地从军事领域到平民。
现在越来越多 GPS 接收器嵌入在便携式消费产品中,这项描述GPS接收器该研究
已成为具有实用价值的流行主题。
相关的测试结果表明,我们的前端电路已达到预
期的性能。
目前,前端电路已经开始应用于相关项目的设计,并且对未来的多频多系
统导航接收器的开发具有很好的参考。
【总页数】2页(P0112-0113)
【关键词】GPS接收机;双频;前端电路;原理设计
【作者】何宇云
【作者单位】广东理工学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP
【相关文献】
1.GPS接收机射频前端电路原理与设计
2.基于SE4100L设计GPS接收机射频前
端电路3.基于NJ1006的GPS接收机射频前端电路设计4.基于GP2015射频前端电路的GPS接收机设计5.超外差结构GPS接收机射频前端电路仿真研究
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射频接收机前端AGC系统的电路设计
射频接收机前端AGC系统的电路设计提纲：一、射频接收机前端AGC系统的基本原理及设计要点二、传统射频接收机前端AGC系统挑战及优化设计技术三、现代射频接收机前端AGC系统设计方法研究四、射频接收机AGC系统的性能评估与实验测量五、未来射频接收机前端AGC系统的发展趋势和展望一、射频接收机前端AGC系统的基本原理及设计要点AGC（Automatic Gain Control）系统是射频接收机的重要组成部分，在信道不稳定的环境下可以实现信号输入电平的自动控制。
其主要功能是控制单位电平内射频前端放大器的信息增益，以确保信号在最佳的动态范围内运行。
射频接收机前端AGC系统的设计要点主要包括信号放大段、包络检波环节、比较环节和控制回路。
其中，信号放大段的设计为AGC系统的核心，关系到整个系统性能的优劣。
当前，射频接收机前端AGC系统的设计主要分为两大类：一类是传统模拟AGC系统，它采用经典的线性控制回路，具有结构简单，功耗低，抗干扰能力强等优点；另一类是数字AGC系统，它基于DSP的现代控制理论，具有精度高，响应速度快等优点。
二、传统射频接收机前端AGC系统挑战及优化设计技术目前，传统AGC系统仍然是射频接收机中最常用的设计方案之一。
然而，传统AGC系统在设计中还存在一些挑战，主要包括信号失真、抗干扰能力不足和高功耗等问题。
为克服这些问题，优化设计技术主要包括：1、引入自适应控制器，利用反馈控制环节提高控制精度和系统鲁棒性，增强系统的稳定性和抗干扰能力。
2、优化模拟电路设计，提高系统带宽、增益平坦度和延时响应特性，并减少失真和噪声干扰。
3、使用低功耗模拟电路设计，降低系统功耗并提高信号处理速度。
三、现代射频接收机前端AGC系统设计方法研究现代射频接收机前端AGC系统采用数字控制理论，利用高速AD/DA转换器实现对系统的数字控制。
其优点在于精度高，控制方便和响应速度快等。
目前，现代AGC系统主要分为三类：1、基于改进的遗传算法和FPGA的AGC系统，该设计主要以FPGA为核心控制器，利用改进的遗传算法实现AGC控制回路，并通过DSP进行算法协调。
GPS接收机的射频前端测试原理和方法
GPS接收机的射频前端测试原理和方法作为GPS接收机重要组成部分的接收机射频前端电路是接收机动态性能的关键部件。
它的很多指标，诸如噪声系数、动态范围、镜频抑制、1dB 压缩点和相位噪声等，都直接影响接收机的性能。
因此，射频指标的准确测量对GPS 接收机性能的准确评估非常重要。
要有自主知识产权的接收机，就必须有一套完整而有效的射频模块指标的测试方法GPS信号测试的基本要求GPS 信号一般使用两个射频波段：一个信号频率为1575.42MHz（L1波段）,另一个信号频率1227.6MHz（L2波段）。
一般来说，商用GPS接收机使用的波段为L1波段。
接收机接收到最小信号功耗为-133dBm到-130dBm，此信号非常微弱，淹没在噪声里。
测量 GPS 射频模块所要使用的仪器设备及配件其可用频率要高出五倍卫星信号频率以上，才能满足最基本的谐波失真测量。
对于测量中使用的同轴线、接头、负载等所有的特性阻抗都要是50Ω的特性，才能匹配良好。
同时，其辅助测试工具除了阻抗匹配良好还要具有容易校正、误差小、连接方便、高可靠性及重复性的特点。
定期校正测试仪器也很重要，而且校正时要将连接线、接头、衰减器等所有配件连接后一同测量。
GPS射频各指标测试的方法GPS 射频部分的测试方案很多，其中比较重要的指标有：增益，可控增益范围，输入压缩点，噪声系数，镜频抑制，本振到信号的隔离度，本振相噪等。
增益测量GPS 射频前端的增益是指输入到 ADC 的信号与GPS 天线接收到的信号相比的放大程度。
GPS 接收机射频前端的增益一般都在 110dB 左右。
增益可以使用频谱分析仪来测量。
低噪声放大器、混频器等器件的增益可以用向量网络分析仪来测量S21得到，注意埠的50Ω匹配。
连接如图 2。
有两个系统性能参数体现了接收机的线性度，三阶交调点和 1dB 压缩点。
三阶交调特性会将邻道信号的交调项混到有用信号中，造成信号质量的退化。
但是，对于 GPS 来说，在带内只有一个通道，没有强的邻道干扰信号，因此，主要从1dB压缩性能来考虑系统的线性度。
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一款适合初级发烧友自制的２２ｋＨｚ脉冲切换器。
GPS接收机射频前端电路原理与设计
GPS接收机射频前端电路原理与设计摘要：在天线单元设计中采用了高频、低噪声放大器，以减弱天线热噪声及前面几级单元电路对接收机性能的影响；基于超外差式电路结构、镜频抑制和信道选择原理，选用GP2010芯片实现了射频单元的三级变频方案，并介绍了高稳定度本振荡信号的合成和采样量化器的工作原理，得到了导航电文相关提取所需要的二进制数字中频卫星信号。
关键词：GPS接收机灵敏度超外差锁相环频率合成利用GPS卫星实现导航定位时，用户接收机的主要任务是提取卫星信号中的伪随机噪声码和数据码，以进一步解算得到接收机载体的位置、速度和时间（PVT）等导航信息。
因此，GPS接收机是至关重要的用户设备。
目前实际应用的GPS接收机电路一般由天线单元、射频单元、通信单元和解算单元等四部分组成，如图1所示。
本文在分析GPS卫星信号组成的基础上，给出了射频前端GP2010的原理及应用。
1 GPS卫星信号的组成GPS卫星信号采用典型的码分多址（CDMA）调制技术进行合成（如图2所示），其完整信号主要包括载波、伪随机码和数据码等三种分量。
信号载波处于L波段，两载波的中心频率分别记作L1和L2。
卫星信号参考时钟频率f0为10.23MHz，信号载波L1的中心频率为f0的154倍频，即：fL1=154×f0=1575.42MHz (1)其波长λ1=19.03cm；信号载波L2的中心频率为f0的120倍频，即：fL2=120×f0=1227.60MHz (2)其波长λ2=24.42cm。
两载波的频率差为347.82MHz，大约是L2的28.3%，这样选择载波频率便于测得或消除导航信号从GPS卫星传播至接收机时由于电离层效应而引起的传播延迟误差。
伪随机噪声码（PRN）即测距码主要有精测距码（P码）和粗测距码（C/A码）两种。
其中P 码的码率为10.23MHz、C/A码的码率为1.023MHz。
数据码是GPS卫星以二进制形式发送给用户接收机的导航定位数据，又叫导航电文或D 码，它主要包括卫星历、卫星钟校正、电离层延迟校正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的信息和全部卫星的概略星历；总电文由1500位组成，分为5个子帧，每个子帧在6s内发射10个字，每个字30位，共计300位，因此数据码的波特率为50bps。
全球定位系统信号接收机射频模块的设计
主要以研究GPS接收机为目的，以Zarlink公司的GP2015型电路为核心进行GPS 射频前端设计，其中主要包括二级滤波器和晶体振荡器等外围电路的设计，其关键是计算滤波网络参数以匹配带宽要求及整个电路的布局。
对后端的相关和定位解算进行了相应的介绍，整个模块在GPS接收机中相对独立，可以作为独立的部分来设计。
1 引言典型的GPS接收机主要由4部分组成：天线、射频前端、相关器和导航解算部分。
其中，天线主要负责信号的接收；射频前端负责信号的下变频，在当前的数字化接收机中还包括A/D转换，它是所有后端处理的基础，其信号的品质直接影响接收机的性能，相关器主要负责信号跟踪与锁定的硬件部分，包括各种原始数据和测量数据的输出，并传输给微处理器；导航解算部分主要负责信号的跟踪和锁定的软件部分、数据的解调、伪距的提取以及导航数据的解算，它的处理基础是相关器，所有的原始数据来自相关器。
2 GP2015及其外围电路GP2015是Zarlink半导体公司的超小型射频前端器件，它包含除中频滤波器外的所有从天线接收的L1频段信号到两位数字信号的模块。
其中，中频滤波在片外，分别由一个157.42MHz滤波器和一个35.42MHz声表面滤波器组成，包含在VCO（压控振荡器）中的片上PLL用于产生一个本地的振荡频率来提供给混频器，它的参考信号是来自温度补偿晶振（TCXO）的10.000MHz。
Dynex DW9255是声表面波带通滤波器，用它对GPS信号扩频信号的窄带宽进行滤波，在使用之前应该预先调到GPS二级中频的准确频段35.42MHz和1.9MHz的带宽。
滤波器通带的弱衰减性和阻带的强衰减性有助于改进GP2015的抗干扰性。
GP4020是完整的基于GPS接收机的数字基带处理器，它由一个12通道的相关器和带ARM7TDMI核的微处理器组成。
其中，相关器包含12个独立通道的跟踪模块，每个模块包含所有的跟踪和锁定GPS信号的模块，不是每个通道都必须在跟踪的时候激活，这样可以减少电源的消耗，微处理器部分包含萤火虫MF1微控制器。
GNSS接收机的射频电路设计与应用
１ ５
【 关键词 】Ｇ Ｎ Ｓ Ｓ接收机 射频 电路 设计 应 用
射 频前端 电路是 Ｇ ＮＳ Ｓ接收机结构 中的一 个 重要 组成部 分。本 文所介 绍的基 于 Ｇ Ｐ ２ ０ １ ５ 芯 片 的射 频前 端 电路，采 用 了一 款 由 Ｚ ａ ｒ ｌ ｉ ｎ ｋ 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 Ｇ Ｎ Ｓ Ｓ 接收机概 述
１ ． １ Ｇ Ｎ Ｓ Ｓ ￣统的概 念 ＧＮＳ Ｓ系 统 是指 全 球 导 航 卫星 系 统 ，它 是２ Ｏ世 纪 ９ ０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 （ ＧＰ Ｓ ）、俄 罗 斯 的 全 球 导航 卫 星 系 统
级 变 频 滤 波 器 主 要 设 计 参 数 和 指 标
为：插 入 损耗 控 制在 ３ ｄ ｂ以 内；中 心频 率为
１ ７ ５ ． ４ ２ ＭＨ ｚ ；第 二级 变频滤波器 的射频端和镜
像频 率 分别 为 １ ０ ４ ． ５ ８ ＭＨｚ和 １ ５ ０ ４ ． ５ ８ ＭＨ ｚ ：
Байду номын сангаас
１ ． ０ ｄ ｂ带 宽 和 ３ ． ０ ｄ ｂ带 宽 分 别 为 ￣Ｉ ＭＨｚ和
（ ＧＬ ０Ｎ ＡＳ Ｓ ） 、 欧 盟 的 Ｇａ ｌ ｉ ｌ ｅ ｏ卫 星 导 航 图１ ：Ｇ Ｐ ２ ０ １ ５的工 作 原 理 图
理为 ： （ １ ）ＧＰ Ｓ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 １ ５ ７ ５ ． ４ ２ ＭＨ ｚ 。 （ ２ ）Ｌ １信 号 受 振 荡器影响 ，首先得 到一级 混频信 号，其带宽 为 １ ． ４ ＧＨ ｚ ； 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 １ ４ ０ ＭＨｚ
全球定位系统射频前端电路的设计的开题报告
全球定位系统射频前端电路的设计的开题报告一、选题背景及意义随着现代通信系统和导航系统的发展，利用卫星进行定位的需求不断增加。
全球定位系统（GPS）是一种通过卫星将地面点的位置信息传输到接收器的系统。
由于GPS定位精度高且全球覆盖，因此在无人机、导航、车辆监控等领域有广泛应用。
GPS的射频前端电路是GPS接收机中最核心的部分，也是决定GPS接收机性能的关键因素。
在GPS中，射频前端主要是负责接收卫星发射的信号，并将其放大和处理以提高信噪比，从而实现GPS信号的灵敏度和定位准确度。
因此，设计和开发高性能和低功耗GPS射频前端电路是当前研究的热点和难点问题。
二、研究内容和方法本项目的研究内容是GPS射频前端电路的设计，主要包括两部分：1. 定位信号接收电路设计。
首先，需要设计一个高灵敏度的接收机电路，以提高GPS的接收灵敏度。
其次，还需要设计接收机前端中的放大器电路和低噪声放大器电路，以增强接收机前端的信噪比。
2. 时钟信号回路设计。
在GPS接收机中，时钟信号对接收机的性能有重要影响。
因此，设计一个高精度的时钟信号回路是本研究的一个重要任务。
本项目采用下述研究方法开展：1. 进行文献调研，从文献中了解GPS接收机的相关知识和经典的射频前端电路设计方案。
2. 使用基于硬件描述语言（HDL）进行的电路仿真，验证设计方案的理论可行性及电路性能。
3. 选用TI公司的模拟芯片TIA6043来验证实际模拟电路的性能表现，以检验设计方案的实用性。
三、预期目标和创新点本项目的预期目标是设计出一种高性能、低功耗的GPS射频前端电路，并通过实验验证。
本研究的创新点如下：1. 设计出一种低成本、高性能的GPS射频前端电路，可满足现代导航和车辆监控等应用领域的需求。
2. 提供一种新颖的时钟信号回路设计方案，可增强GPS接收机的性能表现。
3. 采用TI公司的模拟芯片TIA6043来验证实际模拟电路的性能表现，为GPS射频前端电路的实践应用提供了新的方法。
GPS接收机射频前端设计制作与测试的开题报告
GPS接收机射频前端设计制作与测试的开题报告摘要：全球定位系统（GPS）是一种使用卫星信号以确定物体或人员的位置的技术。
GPS接收机是将卫星信号收集、处理、解码以确定位置的设备。
射频前端是GPS接收机中最重要的部分，其主要功能是收集、放大和过滤来自卫星的微弱信号。
本文将介绍GPS接收机射频前端的设计、制作和测试。
关键词：GPS接收机；射频前端；设计；制作；测试一、研究背景GPS技术的广泛应用使得GPS接收机成为了现代导航的重要工具。
GPS接收机的性能关键在于其射频前端的设计，只有在射频前端被正确设计的情况下才能保证GPS接收机在复杂的电磁环境中正确接收卫星信号并解码出正确的位置信息。
因此，对于GPS接收机射频前端的设计、制作和测试具有重要的实际意义和研究价值。
二、研究内容本文将重点研究GPS接收机射频前端设计、制作和测试的关键技术和方法，包括以下方面：1. GPS卫星信号和射频前端介绍GPS卫星信号的基本原理和射频前端在其中的作用。
2. 射频前端设计介绍GPS接收机射频前端的基本设计原理和实现过程，包括电路图设计、元器件选型和布局等。
3. 射频前端制作介绍GPS接收机射频前端的制作过程，包括PCB设计和制作、元器件焊接和调试等。
4. 射频前端测试介绍GPS接收机射频前端的测试方法和步骤，包括信号源测试、带通滤波器测试、放大器增益测试等。
三、研究意义通过本文的研究，可以深入了解GPS接收机射频前端的关键技术和方法，为实现高性能、低功耗、小尺寸的GPS接收机提供技术支持。
此外，还可以为GPS接收机射频前端相关领域的理论研究和应用开发提供基础和参考。
四、研究进度本文已经完成了对GPS卫星信号和射频前端的基础学习和了解，并已经开始射频前端设计的工作。
下一步将重点完成射频前端的制作和测试工作，并整理成文献综述。
五、预期成果本文预期的成果为：正式撰写一篇关于GPS接收机射频前端设计、制作和测试的论文，并设计制作出一套GPS接收机射频前端的样机，对其性能进行测试，并对测试结果进行分析和总结。
gps天线原理
1 GPS卫星信号的组成 GPS卫星信号采用典型的码分多址（CDMA）调制技术进行合成（如图 2 所示），其完整信号主要包括载 波、伪随机码和数据码等三种分量。信号载波处于L波段，两载波的中心频率分别记作L1 和L2。卫星信号 参考时钟频率f0 为 10.23MHz，信号载波L1 的中心频率为f0 的 154 倍频，即： fL1=154×f0=1575.42MHz (1) 其波长λ1=19.03cm；信号载波L2 的中心频率为f0 的 120 倍频，即： fL2=120×f0=1227.60MHz (2) 其波长λ2=24.42cm。两载波的频率差为 347.82MHz，大约是L2 的 28.3%，这样选择载波频率便于测得 或消除导航信号从GPS卫星传播至接收机时由于电离层效应而引起的传播延迟误差。伪随机噪声码（PRN） 即测距码主要有精测距码（P码）和粗测距码（C/A码）两种。其中P码的码率为 10.23MHz、C/A码的码率为 1.023MHz。数据码是GPS卫星以二进制形式发送给用户接收机的导航定位数据，又叫导航电文或D码，它主 要包括卫星历、卫星钟校正、电离层延迟校正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的信息和全部卫星的 概略星历；总电文由 1500 位组成，分为 5 个子帧，每个子帧在 6s内发射10 个字，每个字 30 位，共计 300 位，因此数据码的波特率为 50bps。
基于 MAX2742 型电路的 GPS 接收机设计
李今明
1 引言 GPS 卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户， 只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量 GPS 信号的接收设备即 GPS 信号接收机，就可以在任何时候 用 GPS 信号进行导航定位测量。GPS 信号接收机的功能是能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待 测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对接收到的 GPS 信号进行变换、放大和处理、以便测量出 GPS 信号从卫星接收机天线的传播时间，解译 GPS 卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的 3 维位置甚 至 3 维速度和时间。 典型 GPS 接收机的结构如图 1 所示。
卫星导航接收机通用射频前端设计及实现
研 究人员 对发展 微型机 械的关 注度越来 越高 。通过对 大 型机 械设 升 ， 自动化技 术 在机 械设计 与制 造过 程 中的重要 作用 越来 越 明
备 的内部构 造进 行 改 良和优化 ，加 强其 内部构 件 的精 密度 ，从而 显 ，企业 应切 实提 高对其 的重 视程 度 ，逐步 建立 并完 善相应 的管
２０１８．２９科 学技 术创新 一１４７一
卫星导航 接收机通用射频前端设 计及实现
李 兆 铭 （哈 尔滨泰 克斯传 媒 有限 责任公 司 ，黑龙 江 哈 尔滨 １５００００）
摘 要 ：ＧＰＳ、ＧＩＳ等技 术被 大 范围应 用 ，现有 的卫 星 导航 系统 也 日益 完善 ，无线 电导航 技 术也逐 渐发 展成 熟 。卫 星导航 定位 系
统在 国 防、军事 以及 经济 建设领 域 中均 可给 予必要 的 支持 。我 国在航 空领 域 开展 的 自主研 究活动 也 日益 活跃 化 。在给 卫 星设置 导 航 接 收机 时 ，需将 射频 前 端部 分的设 计 工作做 好 。 可 以射 频 芯 片为研 究基础 ，进 一 步优 化射 频 前端 部 分的设 计 工作 ，使 其 更具通
星 输 出 的信 号 ，应 当 加强 对 接 收 机 的研 究 工作 ，重 点 设 计 射 频 离 散状 态信 号 中的卫 星导 航信 号 ，同 时特殊 数 字 中频 信号 也 能
前 端 ，使 其 可被 应 用 到更 多 的卫 星 系统 中 ，现 剖 析 均 有 通 用 化 够 被有 效 吸收 ，这类 信 号 的 实 际频 率 相 对 比较 低 ，通 过 增 益 控
用 性 ．现 探 讨 相 应 的设 计 活 动 。
关键 词 ：卫 星导航 接 收机 ；通 用射频 前 端 ；设计 ；实现
GPS接收机硬件电路设计—电路图天天读（280）
GPS接收机硬件电路设计—电路图天天读（280）GPS由空间卫星星座地面监控系统和用户接受设备3部分组成。
作为一种实时定位测速授时的导航系统，其在定位精度和观测时间上面的优势使其成为该领域的首选。
硬件电路设计现有的GPS接收机基本构成方框图如图1所示。
本系统的信号接收机硬件主要包括4个功能单元：天线单元、射频单元、相关器单元、微控制器单元。
基于现有架构，结合各功能模块的发展现状，设计出一款弹载GPS接收机，以期实现实时定位、测速和授时。
相关核心模块选型如下：Zarlink公司生产的GP2015作为接收机的射频前端，实现对信号的下变频处理，GP2021芯片作为C/A 码基带相关器，对中频数字信号进行解调和解扩，得到导航电文；TI公司的浮点型数字处理器TMS320C6747，对接收机自检、测定、搜捕卫星信号，进行相关计算。
天线单元天线单元主要由天线、滤波器和前置放大器组成，该单元电路图如图2所示。
天线的作用是将卫星信号极微弱的电磁波能转化为相应的电流。
滤波器用于抑制带外的干扰信号。
而前置放大器则是将信号电流予以放大，有时还兼有变频作用。
射频单元该单元电路核心芯片采用ZARLINK公司推出的GPS射频前端芯片GP2015 。
它具有低功耗、低成本和高可靠性等特性，采用TQFP 封装，封装尺寸小，工作电源电压为3~5 V ，当芯片工作在3V电压下，其功耗为200 mW。
GPS Ll信号通过天线、预选频滤波器和低噪声放大器后输入到GP2015 ，GP2015将该射频信号与不同频率的本振信号经三级下变频到中频（IF），在GP2021提供的5.714 MHz的采样频率下，将中频信号变换成频率为1.405 MHz的2位TTL电平输出。
所以，该单元的设计任务主要有两个：晶体振荡器设计和滤波电路设计。
GPS接收机定位精度、信号的准确性和稳定性，以及信号的一致性要求较高，从而对标准基准时钟稳定性提出了较高的要求。
本系统采用高精度温补型晶体振荡器TCXO，该晶体振荡器与外部匹配电路共同工作，产生稳定的10.000 MHz的基准时钟信号，在25 标准温度下，其调整频差为士1ppm，负载电容为15pF。
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GPS接收机射频前端电路GPS receiver rf circuit[摘要]在GPS设计中采用了高频、低噪声放大器，以减弱天线热噪声及前面几级单元电路对接收机性能的影响；基于超外差式电路结构、镜频抑制和信道选择原理，选用芯片实现了射频单元的三级变频方案。
概述了GPS接收机基本工作原理，提出了一种基于GP2000射频前端电路的GPS接收机方案。
详细说明GP2000射频放大器的设计原理以及外围匹配电路设计方法。
重点叙述了接收机软硬件设计思路和方法。
关键词：GPS；前置放大；变频；相关器。
Abstract: In the design of high frequency used the GPS, low noise amplifier to abate antenna thermal noise and front level in the receiver unit circuit performance influence. Specialized superheterodyne type circuit based on structure, mirror frequency suppression and channel selection principle, choose chip realized the rf unit level 3 frequency conversion plan. Summarizes the basic working principle of GPS receiver, and puts forward a kind of GP2015 rf circuit based on the GPS receiver scheme. Details GP2015 rf design principle and peripheral amplifier matching circuit design method. Key described hardware and software design idea and method for the receive.Keywords: GPS,preamplifier,Frequency conversion,correlator引言：GPS(全球定位系统)以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，使其用途越来越广泛。
GPS卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共享的信息资源。
对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即GPS信号接收机，就可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。
GPS信号接收机的功能是能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对接收到的GPS信号进行变换、放大和处理、以便测量出GPS 信号从卫星接收机天线的传播时间，解译GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的3维位置甚至3维速度和时间。
目前，卫星导航的应用已经遍及军事、航海、航空、测量、交通、勘测等几乎一切与位置、速度、时间有关的人类活动中。
在各种全球定位系统不断发展的同时，GPS用户端设备也处于不断升级和发展之中。
正文：利用GPS卫星实现导航定位时，用户接收机的主要任务是提取卫星信号中的伪随机噪声码和数据码，以进一步解算得到接收机载体的位置、速度和时间（PVT）等导航信息。
因此，GPS接收机是至关重要的用户设备。
目前实际应用的GPS接收机电路一般由天线单元、射频单元、通道单元和解算单元等四部分组成，如图1所示。
1.GPS 接收机基本结构从接收机的结构来看，随着VLSI(超大规模集成电路)和DSP(数字信号处理)技术的发展，单通道序贯式、时分多路复用式接收机早已为采用了DSP模块的并行多通道接收机所代替，所能达到的通道数和等效相关器数不断增加，集成度更高的内嵌MPU／MCU 的GPS 基带处理器芯片成为主流。
卫星定位信号接收机的硬件系统主要由天线单元、射频模块、基带处理模块和电源模块组成。
其结构如图1 所示。
GPS卫星信号采用典型的码分多址（CDMA）调制技术进行合成（如图2所示），其完整信号主要包括载波、伪随机码和数据码等三种分量。
信号载波处于L波段，两载波的中心频率分别记作L1和L2。
卫星信号参考时钟频率f0为10.23MHz，信号载波L1的中心频率为f0的154倍频，即：fL1=154×f0=1575.42MHz (1)其波长λ1=19.03cm；信号载波L2的中心频率为f0的120倍频，即：fL2=120×f0=1227.60MHz (2)其波长λ2=24.42cm。
两载波的频率差为347.82MHz，大约是L2的28.3%，这样选择载波频率便于测得或消除导航信号从GPS卫星传播至接收机时由于电离层效应而引起的传播延迟误差。
伪随机噪声码（PRN）即测距码主要有精测距码（P码）和粗测距码（C/A码）两种。
其中P码的码率为10.23MHz、C/A码的码率为1.023MHz。
数据码是GPS卫星以二进制形式发送给用户接收机的导航定位数据，又叫导航电文或D码，它主要包括卫星历、卫星钟校正、电离层延迟校正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的信息和全部卫星的概略星历；总电文由1500位组成，分为5个子帧，每个子帧在6s内发射10个字，每个字30位，共计300位，因此数据码的波特率为50bps。
数据码和两种伪随机码分别以同相和正交方式调制在L1载波上，而在L2载波上只用P码进行双相调制，因此L1和L2的完整卫星信号分别为：SL1（t）=AcCi(t)Di(t)sin(ωL1t+φc) +ApPi(t)Di(t)cos(ωL1t+φP1) (3)SL2（t）=BpPi(t)Di(t)cos(ωL2t+φp2) (4) 式中，Ap、Bp、Ac分别为P码和C/A码的振幅；Pi(t)、Ci(t)分别为对应P码和C/A码的伪随机序列码；Di(t)为卫星导航电文数据码;ωL1、ωL2分别为L1和L2载波信号的角频率；φC 和φP1、φP2分别为C/A码和P码对应于载波的起始相位。
合成的GPS信号向全球发射，随时随地供接收机解算导航定位信息使用。
2 GPS接收机的灵敏度GPS接收机对信号的检测质量取决于信噪比，当其为“理想接收机”时，接收机输入端的信噪比Si/Ni与其输出端的信噪比So/No相同。
由于实际GPS接收机存在内部噪声，使得（So/No）<(Si/Ni)；而噪声越大，输出信噪比越越小，则接收机的性能越差，此时接收机的噪声系数为：F=（Si/Ni）/(So/No) (5)式（5）表明由于内部噪声影响，接收机输出端信噪比相对于输入端信噪比变差的倍数，由式（5），输入信号额定功率可表示为：Si=NiFo(So/No) (6)式（6）给出了GPS接收机在噪声背景下接收卫星信号的能力，接收机不仅要将输出信号放大到足够的数值，更重要的是要使输出端的信噪比So/No达到所需比值。
令（So/No）≥(So/No)min时对应的接收机输入信号功率的最小可检测信号功率为Simin，通常用它表示接收机的灵敏度。
由于接收机的输入噪声额定功率Ni=kT0Bn （7）式（7）中k为玻尔兹曼常数，k=1.38×10 -23J/K,T0为单元电路的室内温度17℃（290K，绝对温度），Bn为单元电路的带宽。
将式（7）代入式（6）可得：Si=kT0BnFo(So/No) (8)于是可进一步得到GPS接收机的灵敏度为：Simin=kT0BnFo(So/No)min （9）由式（9）可知，为了提高GPS接收机的灵敏度，就要减少最小可检测信号功率Simin，因此在接收机电路设计中一方面要考虑尽量降低接收机的总噪声系数Fo，另一方面应设法提高噪声背景下GPS接收机输出端的信噪比So/No。
3 GPS接收机天线单元天线单元的主要功能是接收空中GPS卫星信号，从而为接收机射频前端提供较为纯净的完整卫星信号。
在接收机设计中，当两个单元电路级联时（如图3所示），如果第一、二级单元电路的噪声系数和额定功率增益分别为F1、F2和G1、G2，其带宽均为Bn；设级联电路的总噪声系数为Fo，则其实际输出的额定噪声功能No为：No=kT0BnG1G2Fo (10)由于No由两部分组成，即：No=No12+ΔN2 (11)其中No12是由于第一级单元电路的噪声在第二级单元电路输出端呈现的额定噪声功率，ΔN2是由于第二级单元电路所产生的噪声功率，且No12=kToBnG1G2F1 (12)ΔN2=kToBnG2(F2-1) (13)将式（12）、（13）代入式（11），则No=kToBnC1C2Fo=kToBnG1G2F1+kToBnG2(F2-1) (14)化简式（14），得到两级单元电路级联后的总噪声系数为：Fo=F1+(F2-1)/G1 (15)同理可得，n级单元电路级联时的总噪声系数为：Fo=F1+(F2-1)/G1+(F3-1)/(G1G2)+Λ+（Fn-1）/(G1G2ΛGn-1) (16)可见，GPS接收机中各级单元电路的内部噪声对级联后总噪声系数的响应有所不同，级数越靠前的单元电路的噪声系数对总噪声系数的影响越大。
因此，总噪声系数主要取决于最前面几级单元电路的噪声系数，其中天线热噪声对接收机性能影响最大，故设计时采用接收天线、射频频段选择带通滤波器及高频低噪放（LNA）等器件组成天线单元（如图4所示）。
天线单元采用DC 5V供电，其中LNA采用高增益、低噪声、高频放大器MAAM12021，其增益高达21dB、噪声系数低于1.55dB，有利于降低GPS接收机的总噪声系数；其工作频段处于1.5～1.6GHz，适合于C/A码GPS接收机的频带需求，可满足高增益和低噪声系数的性能指标要求。
4 GPS接收机射频单元噪声总线伴随着信号同时出现，尽可能提高噪声背景下输出端的信噪比是改善接收机灵敏度的重要措施。
GPS接收机天线单元接收并提供给射频单元的信号频率很高而信道带宽又很窄，要直接滤出所需信道，则需Q值非常大的滤波器，至少目前的技术水平难以满足这一指标；另外高频电路在增益、精度和稳定性等方面的问题，在高频范围直接对GPS卫星信号进行解调很不现实。
为此，在射频单元设计中采用“超外差”式多级变频配合区配滤波器的电路结构，以消除噪声干扰，解决高频信号处理中所遇到的困难。
适合这种电路结构的芯片采用了第二代GPS接收机射频前端GP2000。
它采用44引脚、帧面方形封装，主要集成了频率合成器、混频器、自动增益控制（AGC）电路以及数字量化器等。