GPS接收机电路设计与实现.pdf
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1、南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 I 摘要摘要 GPS 是全球定位系统,主要实现在全球范围内为不限数量的用户提供全天候并且连续精 确的速度、位置和时间信息。随着 GPS 市场的不断开拓,最初只应用在军事上的技术逐渐向 民用方向发展,生产技术的大规模化和元件的微型化趋势带来了低成本的接收机元器件。 本文首先提出了 GPS 接收机方案及其性能指标要求,接收机主要由天线部分、射频前端 部分和基带处理部分组成,具体分析了放大器的噪声系数、增益及接收机的灵敏度。其次, 运用 ADS 2009 进行低噪声放大器的设计, 并针对其功能进行匹配电路的设计, 增益大于 30dB, 噪声系数小于 1dB。选择
2、合适的射频前端芯片 ATR0601,以及与其相对应的基带处理芯片 ATR0625P,根据所需功能完成外围电路的设计。再次,运用 Cadence 16.2 进行电路原理图及 印制电路板(PCB)的设计,并运用 CAM350 进行光绘文件的检查。最后,对实物电路进行 测试及对定位数据进行分析,整机测试结果达到了预期的要求。 关键词关键词:全球定位系统;射频前端;基带处理;低噪声放大器;印制电路板。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 Abstract II Abstract Global Positioning System (GPS) helps to provide an unlimited nu
3、mber of all over the world with continuous and accurate velocity, location and information in all the weather. Initially, GPS was only applied in military area. However, with the ever-developing technology and market expansion, it is gradually implemented in civil area. Furthermore, the mass product
4、ion and the trend of the component miniaturization contribute to low-cost GPS receivers. In this thesis, the GPS receiver project and the functional requirement are firstly proposed. The receiver is composed of the antenna, RF front-end part and the baseband part. Meanwhile, the noise figure of the
5、amplifier and the sensitivity of the receiver are analyzed. Secondly, a low-noise amplifier with the matching circuit is designed using ADS 2009, as the simulated results shown the gain is greater than 30dB and the noise figure is less than 1dB. When designing the peripheral circuit, the RF front-en
6、d chip ATR0601 and baseband process chip ATR0625P are chosen. Thirdly, the circuit schematics and printed circuit board (PCB) is designed using Cadence 16.2. Gerber files are inspected using CAM350. Finally, the circuit is fabricated and measured. Analyzing the positioning data, the accuracy of the
7、receiver is sacrificing the requirement. Key words: Global Positioning System; RF Front-end; Baseband Process; Low-noise Amplifier; Printed Circuit Board. 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 III 目目 录录 摘要 . I Abstract II 目 录 III 第一章 绪 论 . 1 1.1 论文选题背景及意义 . 1 1.2 GPS 发展状况及在各领域的应用 2 1.3 GPS 系统及其原理 . 3 1.4 GPS 接收机发展状况 .
8、 4 1.5 本文的主要工作 4 第二章 GPS 接收机方案与指标分析 6 2.1 引言 6 2.2 设计方案介绍 6 2.2.1 天线部分 . 6 2.2.2 射频前端部分 6 2.2.3 基带处理部分 7 2.3 射频电路基础知识. 8 2.3.1 散射矩阵 8 2.3.2 反射系数、回波损耗以及驻波比 8 2.3.3 噪声系数 NF . 9 2.3.4 放大器的增益 9 2.3.5 接收机灵敏度 10 2.3.4 放大器的稳定性 10 2.3.5 射频电路的匹配方法 11 2.4 接收机主要技术指标分配 . 14 2.5 小结 15 第三章 射频前端与基带电路设计 16 3.1 低噪声放
9、大器(LNA)设计 16 3.1.1 直流分析 . 17 3.1.2 偏置电路 . 19 3.1.3 稳定性分析 . 20 3.1.4 输入电路匹配 23 3.1.5 级间匹配 . 28 3.1.6 输出匹配及 LNA 总电路优化 31 3.2 射频前端芯片 36 3.3 基带处理 40 3.4 电源及串口芯片选择 . 44 3.4.1 电源部分 . 44 3.4.2 串口部分 . 44 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 IV 3.5 小结 45 第四章 GPS 接收机原理图及 PCB 电路的设计 . 46 4.1 原理图的设计 46 4.1.1 射频前端部分 46 4.1.2 基带处理部
10、分 47 4.1.3 电源及外接接口部分 48 4.2 PCB 的设计 48 4.3 小结. 50 第五章 整机测试与总结 . 51 5.1 整机测试 51 5.2 总结与展望 56 附录 1 . 58 附录 2 . 59 附录 3 . 61 致谢 63 参考文献 64 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 论文选题背景及意义论文选题背景及意义 GPS(global positioning system)是全球定位系统,在 20 世纪 70 年代,由美国海陆空三 军共同研制的新一代卫星导航定位系统, 它为美国带来了巨大的军事以及经济利益, 其主 要
11、是实现全球范围内为数量不限的用户提供全天候并且连续精确的速度、 位置和时间信息。 GPS 经过了 20 多年的实验研究,耗资多达 300 亿美元,1994 年 3 月,24 颗 GPS 卫星星 座已经布设完毕,如图 1.1 所示,全球覆盖率已高达 98%。 图 1.1 GPS 卫星星座图 GPS 系统具有以下特点(14): 能够全球、全天候的工作:可以为全球范围内的用户提供连续的三维位置与速度信 息。 定位的时间短:目前,20 千米以内相对静态的定位,仅仅需要 15-20 分钟;在快速 静态测量时,流动站观测的时间只需要 1-2 分钟。 定位的精度高:单机定位的精度大于 10 米,如果采用差分
12、定位,精度可达厘米级, 甚至毫米级。 应用及其广泛:既可以为军用服务,同时又可以为民用服务(免费提供) 。 基于 GPS 的以上优点,GPS 的市场也在不断的开拓,现在它已经成为一种使能技术,并 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 且也是一种无所不在的技术,生产技术的大规模化和元件微型化趋势带来了低成本的接收机 元器件。同时,GPS 接收机已经嵌入到许多日常的生活用品中,包括个人数字处理(PAD) 、 蜂窝电话以及汽车运输等等,应用范围从为计算机网络提供同步的参考时间到无人驾驶的车 辆导航。市场预测估计,到 2018 年,全球卫星导航系统(GNSS)的产品规模以及服务的总 额将达
13、到 2900 亿美元,到 2020 年,GNSS 市场预计将高达 3100 亿美元,至少 30 亿套芯片 将被使用。因此,研究 GPS 接收机系统具有很大的现实意义。 1.2 GPS 发展状况及在各领域的应用发展状况及在各领域的应用 目前,GPS 卫星定位系统已经全部运行,并且满足 20 世纪 60 年代提出的最佳定位 系统的标准,该系统具有向适当的接收设备,为全球范围内的用户提供连续的、精确的三 维位置及速度信息,同时还广播一种协调世界时(UTC) 。GPS 卫星星座是由在 6 个轨道 面上的 24 颗卫星组成,且每个平面有 4 颗卫星,它可以向无限数目用户提供服务。GPS 卫星是以高精度星
14、载原子频率标准作为基准进行发射的,并且星载原子频标与 GPS 时间 基准是同步的。GPS 是一种双重用途的系统,一种提供民用(标准定位服务(SPS) ) ,一 种提供军用(精密定位服务(PPS) ) 。其中,PPS 的接入是通过加密受控的。现在的卫星 定位系统有:欧盟的 GALILEO、俄罗斯的 GLONASS、中国的北斗等。到目前为止,只 有 GPS 系统能够更全面,更精确地为用户提供定位信息。 在陆地方面的应用,GPS 的大部分用户都是基于陆地的,应用范围从休闲徒步的旅 行到车队运输的管理。随着接收机元件价格的不断降低,以及电信服务项目的激增,许多 基于位置服务(LBS)大量的涌现,LBS
15、 使用户和服务供应商之间进行数据的交互传输。 例如, 普通用户具有通过将其位置信息转发到紧急响应调度站要求紧急救助的能力, 普通 用户也可以通过查询找到一个特定区域内的饭店或住处, 这一请求连同用户的位置信息转 发到服务的供应商。 在航空方面的应用,GPS 系统连续的全球覆盖能力,使飞机能够在考虑障碍物净空 以及需要遵循的程序等因素条件下,直接从一个地点飞到另一地点。在海上的空域中,自 动相关监视(ADS)使用卫星通信或高频数据链中从飞机到海上的空中交通管理(ATC) 的点到点链路来实现,由此,可以带来的益处是 ATC 的防撞监视,以及通过使用最佳航 路来降低航行的时间及耗油。 南京邮电大学硕
16、士研究生学位论文 第一章 绪论 3 在海事方面的应用,从海洋旅行到内河航路,尤其在险恶天气下,所有水上载体导航 能力都得到了增强。大型商船和休闲轮船可以使用组合导航系统,包括回声测探器、数字 罗盘、雷达以及 GPS。 在空间引导方面的应用,GPS 在航天器应用中可以提供不同的功能:定姿、定轨、 时间同步、绝对和相对定位。德国航天局挑战型微卫星有效载荷一直在使用 GPS 进行时 间同步和定姿,在地轨道上,也将 GPS 观测用于电离层和大气层研究以及天气预报和空 间天气的监测。 1.3 GPS 系统及其系统及其原理原理 GPS 基本配置是 24 颗卫星,在 6 个地心轨道平面内,且每个轨道面有 4
17、 颗卫星,额定 的轨道周期是半个恒星日(11h58min),轨道接近圆形,沿赤道 60 度间隔均匀的分布,并且 相对于赤道平面的倾角为 55 度,轨道半径大约为 26600 千米,这一卫星星座为全球用户提 供全天的时间确定和导航能力。GPS 组网之所以为 24 颗卫星,就是为了保证世界上任一点 用户都可以同时接收到至少 4 颗卫星信号, 其中的 3 颗卫星用于测距定位, 第 4 颗卫星用来 计算用户的时钟差。 GPS 卫星信号采用码分多址(CDMA)技术,使用两个频率 L1(1575.42MHz)和 L2(1227.6MHz)进行广播测量码距及导航数据,每颗卫星都是在这两个频率上发射的,但使
18、用的测量码距与其他卫星使用的不同,每颗卫星都产生一个称为精码或 P(Y)码的长码,以 及一个称为粗码或 C/A 码的短码。目前 C/A 码仅被调制在 L1 上,P(Y)码被分别调制在 L1 和 L2 上。GPS 卫星的基准频率为 10.23MHz,卫星信号的所有频率成分均是该基准频率的倍 频或分频: (1-1) (1-2) 波长分别为19.03cm和24.42cm, C/A码的码率为1.013MHz,P(Y)码的码率为10.23MHz, 如表 1-1 所示,现在用于民用信号的是在 L1 的频率上,普通用户需要捕获 C/A 码。对于 L1 的 C/A 码,用户的最低接收功率为-158.5dBW,
19、在热噪声之下(-138.5dBW) ,因此要在射频 接收电路中加入放大装置,使得电平升高到某一高度,使信号可以为数字信号处理所利用。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 表 1-1 GPS 输出信号的参数 信号 中心频率 (MHZ) 调制类型 数据速度 (bps) 主瓣零点带 宽(MHz) 码长度 L1 C/A 码 1575.42 BPSK 50 2.046 1023 L1 P(Y)码 1575.42 BPSK 50 2.046 6187104000000 L2 P(Y)码 1227.6 BPSK 50 20.46 6187104000000 1.4 GPS 接收机发展状况接收机
20、发展状况 随着科学技术的不断发展,以及 GPS 市场的日新月异,设备需求量庞大。芯片供应商也 是强手如云,包括 Atmel、SiRF、MAXIM、Zarlink、u-blox、Ti、Analog Device、NXP、高 通、英飞凌、索尼、意法半导体等等。芯片的集成化趋势也是日益明显,但是并不能在各方 面都达到理想的性能,射频电路本身就是一个折衷的设计。 在已有的 GPS 接收机系统中,低噪声放大器部分多采用集成的芯片,如 ATR0610, MAX2641 等。这些芯片体积小,功耗小,但是增益相对比较小,一般小于 20dB。分立元件 相对来说应用比较少,主要是是因为电路实际体积相对比较大,耗电
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