GPS接收机射频前端电路原理与设计说明

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纳了高频、低噪声放大器，以减弱天线热噪声与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GP2024 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 GP2024 的原理与应用。1 GPS 卫星信号的组成GPS 卫星信号采纳典型的码分多址（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重量。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 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...