基于單芯片的GPS接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)

基于單芯片的GPS接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)引言GPS(全球定位系統(tǒng))發(fā)展到今天，其用途越來(lái)越廣泛，而技術(shù)的進(jìn)步和用戶需求也不斷推動(dòng)GPS系統(tǒng)的增強(qiáng)。目前美國(guó)正在致力于GPSBlockII系統(tǒng)的現(xiàn)代化和“GPS-III”計(jì)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(shè)備也處于不斷升級(jí)和發(fā)展之中。從接收機(jī)的結(jié)構(gòu)來(lái)看，隨著VLSI(超大規(guī)模集成電路)和DSP技術(shù)的發(fā)展,單通道序貫式、時(shí)分多路復(fù)用式接收機(jī)早已被采用DSP模塊的并行多通道接收機(jī)所代替，所能達(dá)到的通道數(shù)和等效相關(guān)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(jī)產(chǎn)品也已經(jīng)問(wèn)世。本文介紹了一種單芯片GPS接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)。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(diǎn)。HammerheadHammerhead是一款由英飛凌科技公司和GlobalLocate公司合作開發(fā)的高集成度單片GPS接收機(jī)IC，片內(nèi)集成了低噪聲放大器、混頻器、自動(dòng)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(gè)GPS接收機(jī)，大大降低了元件成本以及PCB面積。Hammerhead使用大規(guī)模并行關(guān)聯(lián)技術(shù)來(lái)接收衛(wèi)星以八個(gè)并行信道發(fā)射的信號(hào)，并將它們同32,000多個(gè)相關(guān)器中的參考碼進(jìn)行比較。與車輛導(dǎo)航系統(tǒng)中常用的接收器相比，該技術(shù)可以大幅縮短首次定位時(shí)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(jī)設(shè)計(jì)中采用的功能單元，如用于高精度參考時(shí)鐘頻率(10~40MHz)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘頻率(32,768kHz)的晶振，支持在3G、GSM、CDMA電話中應(yīng)用。片上的LNA允許連接無(wú)源的或者有源的天線到Hammerhead。標(biāo)準(zhǔn)的UART端口、SPI和I2C接口，使其可以與任何一種目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)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(hào)極弱或者無(wú)法收到GPS信號(hào)的情況下也能定位。GPS接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)射頻前端圖1和圖2分別是使用無(wú)源天線和有源天線時(shí)射頻前端的電路圖。當(dāng)使用低增益(10～15dB)的無(wú)源天線時(shí)，接收到的GPS信號(hào)需要經(jīng)過(guò)濾波后送給Hammerhead的LNA，GlobalLocate推薦使用Epcos公司的B9000SAW濾波器。在LNA的輸入和輸出引腳需要匹配網(wǎng)絡(luò)，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(lái)抑制帶外信號(hào)，GlobalLocate推薦使用Epcos公司的B7840SAW濾波器，經(jīng)該濾波器輸出的平衡差分信號(hào)對(duì)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(wú)需使用內(nèi)部LNA，直接將接收到的GPS信號(hào)經(jīng)過(guò)B7840濾波后送給混頻器即可。因?yàn)樾枰o天線供電，因此在天線電源處采用了LC濾波(L1,C2)用來(lái)濾除由電源進(jìn)入的高頻噪聲。C3用來(lái)隔直，防止直流偏置進(jìn)入混頻器。另外要注意增加合適的衰減器，防止混頻器過(guò)載。假設(shè)混頻器輸入信號(hào)最高增益為18dB，天線接收器增益為28dB，天線線纜衰減1.4dB/m，長(zhǎng)度為3m，可以增加一個(gè)T型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，其衰減系數(shù)＝28－18－3×1.4≈5dB。參考時(shí)鐘Hammerhead用到了兩種時(shí)鐘。一種是參考時(shí)鐘，范圍10～40MHz，可來(lái)自于外部系統(tǒng)的時(shí)鐘輸入，也可由一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘IC產(chǎn)生。因?yàn)樵摃r(shí)鐘提供給芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)、射頻模塊、數(shù)字基帶以及相關(guān)器等模塊，要求其時(shí)鐘偏移在2.5ppm以內(nèi)，如果偏移太大，就不足以保證信號(hào)的跟蹤和鎖定?；谶@樣的原因，推薦使用26MHz的TCXO，具體電路如圖3所示。其中L1的作用是濾除電源噪聲對(duì)TCXO輸出信號(hào)的影響。另一種時(shí)鐘是RTCCLK，用于低功耗模式下將Hammerhead喚醒。該時(shí)鐘大小要求為32.768KHz，可以用普通的有源晶振或者片外系統(tǒng)時(shí)鐘源產(chǎn)生。電源設(shè)計(jì)Hammerhead一共需要核心電壓(1.5V)、射頻電壓(1.8V)以及邏輯電壓(2.5V/2.8V/3.3V)三路電源，在芯片內(nèi)部均有對(duì)應(yīng)的線性穩(wěn)壓器，可簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，可根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的電源使用情況、功耗要求以及Hammerhead的功率耗散來(lái)決定是否使用內(nèi)部線性穩(wěn)壓源以及使用多大的邏輯電平。另外要注意的幾點(diǎn)問(wèn)題是：*每個(gè)電源輸入引腳必須至少有一個(gè)0.1mF陶瓷濾波電容；*核心電壓工作時(shí)需要較大的瞬態(tài)電流，在該電源網(wǎng)絡(luò)上添加一個(gè)10mF的電容到地，以提供更好的電源響應(yīng)；*注意區(qū)分模擬、數(shù)字電源，用磁珠對(duì)模擬、數(shù)字電源進(jìn)行隔離。尤其是射頻部分對(duì)電源噪聲極其敏感，必要的情況下，可以單獨(dú)使用一個(gè)輸出1.8V的LDO給RF供電。數(shù)字I/OHammerhead擁有三種串行接口：標(biāo)準(zhǔn)UART端口、I2C端口以及SPI端口。其中I2C以及SPI端口的引腳與UART引腳復(fù)用，可以通過(guò)設(shè)置Hammerhead的OMS[2:0]三個(gè)引腳的邏輯電平狀態(tài)來(lái)選擇使用哪一種接口。PCB設(shè)計(jì)由于含有射頻信號(hào)，GPS接收機(jī)的PCB設(shè)計(jì)相對(duì)中低頻信號(hào)的PCB板來(lái)說(shuō)要困難得多，因此需要注意以下事項(xiàng)：*射頻信號(hào)走線盡量短、直，在同一層走線，不能走直角；盡可能的用鋪地銅皮將射頻信號(hào)隔離，防止其他信號(hào)與其之間產(chǎn)生串?dāng)_；平衡差分信號(hào)的路徑要保持平行，并且長(zhǎng)度相仿，這樣可以加強(qiáng)二者之間的耦合而減弱與其他線之間的耦合。*26MHz參考時(shí)鐘信號(hào)的穩(wěn)定性直接決定了GPS接收機(jī)的性能。布線時(shí)該信號(hào)要遠(yuǎn)離以下信號(hào)：32.768KHz時(shí)鐘、數(shù)字信號(hào)、射頻信號(hào)；用鋪地銅皮將其包圍可以起到很好的隔離效果，允許的話可以在地層走線；PLL的匹配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量靠近與其相連的引腳放置。*濾波電容應(yīng)該盡量靠近相應(yīng)的電源引腳放置；為了保證電源層的穩(wěn)定，應(yīng)盡量增大電源的鋪銅面積，減小鋪銅間距是一種有效的方法；使用盡可能多的接地過(guò)孔將頂層與底層的接地銅皮與電源分割層地層銅皮相連，可以保證地層銅皮足夠平穩(wěn)，起到更好的隔離效果；模擬電源與數(shù)字電源要隔離，在兩者搭接處加入磁珠，防止互相干擾，連接電源和地的導(dǎo)線應(yīng)盡量粗一些。*有資料表明，GPRS、CDMA等無(wú)線通信模塊的射頻信號(hào)以及LCD的第143次諧波都會(huì)對(duì)GPS接收機(jī)的工作產(chǎn)生影響，這些信號(hào)被稱為基帶噪聲。消除這些噪聲影響的最簡(jiǎn)便方法，是使用一個(gè)金屬罩將射頻電路以及Hammerhead芯片屏蔽起來(lái)；另外，在TCXO外安裝一個(gè)屏蔽罩，可防止因氣流流動(dòng)引起的溫度驟然變化而導(dǎo)致的TCXO輸出頻率偏移。結(jié)語(yǔ)基于Hammerhead的GPS接收機(jī)具有低成本、低功耗、性能優(yōu)越的特點(diǎn)。高集成度使安裝在芯片以外的接收機(jī)部件極少,節(jié)約了相當(dāng)大的印制板空間,降低了組件成本。加入內(nèi)部LNA和PLL既降低了成本,又減少了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。通過(guò)軟件可以選擇使用有源或者無(wú)源