射頻前端IC簡(jiǎn)化軟件GPS接收器

本文研究了L1頻段民用GPS應(yīng)用中基于軟件的接收器的基本理論，包括對(duì)信號(hào)采集和跟蹤的討論，以及接收器中位同步的需求。此外，還簡(jiǎn)要介紹了L1頻段GPS接收器MAX2741，該接收器用作接收器的緊湊且價(jià)格低廉的RF前端。

用于全球定位系統(tǒng)（GPS）的軟件技術(shù)1, 2最近引起了通信和導(dǎo)航工程師日益增長(zhǎng)的興趣。得益于VLSI的發(fā)展，強(qiáng)大的CPU和DSP現(xiàn)在能夠使用軟件實(shí)時(shí)檢測(cè)和解碼GPS信號(hào)。由此產(chǎn)生的基于軟件的GPS接收器在修改設(shè)置以適應(yīng)新應(yīng)用方面提供了相當(dāng)大的靈活性，無(wú)需重新設(shè)計(jì)硬件，對(duì)不同的頻率計(jì)劃使用相同的電路板設(shè)計(jì)，并實(shí)施未來(lái)的升級(jí)。本文重點(diǎn)介紹軟件GPS接收機(jī)基本理論的CDMA通信方面。對(duì)于導(dǎo)航消息的解碼和位置計(jì)算，感興趣的讀者可以參考James Bao-Yen Tsui的書，全球定位系統(tǒng)接收器的基礎(chǔ)：一種軟件方法。3

GPS系統(tǒng)由24顆空間衛(wèi)星或航天器（每顆由唯一的PRN代碼標(biāo)識(shí)）、一個(gè)地面控制站和用戶設(shè)備（接收器）組成。對(duì)于民用GPS應(yīng)用，衛(wèi)星通過(guò)位于1.1GHz的L57542頻段進(jìn)行通信。

GPS接收器需要至少四顆衛(wèi)星的視線“可見性”才能建立可靠的位置。信號(hào)的采集和跟蹤非常復(fù)雜，因?yàn)槊總€(gè)信號(hào)都隨時(shí)間和接收器位置而變化?；谲浖腉PS接收器（圖1）的RF前端首先使用低噪聲放大器（LNA）放大微弱的輸入信號(hào)，然后將信號(hào)下變頻至約4MHz的低中頻（IF）。這種下變頻是通過(guò)使用一個(gè)或兩個(gè)混頻器將輸入RF信號(hào)與本振信號(hào)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。產(chǎn)生的模擬中頻信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)。

圖1.軟件 GPS 接收器的簡(jiǎn)化圖。

Maxim在MAX2741中集成了該硬件（LNA、混頻器和ADC），從而顯著縮短了應(yīng)用開發(fā)時(shí)間。其兩級(jí)接收器放大入射1575.42MHz GPS信號(hào)，將其下變頻至37.38MHz的第一中頻，進(jìn)一步放大，然后下變頻至3.78MHz的第二中頻。內(nèi)部2位或3位ADC（可選擇為具有1位或1位幅度的2位符號(hào)）對(duì)第二個(gè)IF進(jìn)行采樣，并將數(shù)字化信號(hào)輸出到基帶處理器。集成的頻率合成器可實(shí)現(xiàn)靈活的頻率規(guī)劃，只需更改設(shè)置，即可在同一塊電路板上實(shí)現(xiàn) 2MHz 和 26MHz 之間的許多常用參考頻率。集成的基準(zhǔn)振蕩器支持使用晶體或溫度補(bǔ)償晶體振蕩器 （TCXO） 進(jìn)行操作。

傳統(tǒng)的 GPS 接收器在 ASIC 中實(shí)現(xiàn)采集、跟蹤和位同步操作，但軟件 GPS 接收器通過(guò)在軟件而不是硬件中實(shí)現(xiàn)這些模塊來(lái)提供靈活性。通過(guò)簡(jiǎn)化硬件架構(gòu)，軟件使接收器更小、更便宜、更節(jié)能。您可以使用 C/C++、MATLAB 和其他語(yǔ)言編寫軟件，并將其移植到所有操作系統(tǒng)（嵌入式操作系統(tǒng)、PC、Linux 和 DSP 平臺(tái)）中。因此，軟件GPS接收器為移動(dòng)手機(jī)、PDA和類似應(yīng)用提供了最大的靈活性。?

全球定位系統(tǒng)信號(hào)

我們只考慮位于 1GHz 的知名 L1 頻段上的民用 GPS 信號(hào)，頻率為 57542.<>GHz。GPS系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)簡(jiǎn)單的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。4民用應(yīng)用的信號(hào)發(fā)生模塊如圖2所示。首先，將 50bps 的導(dǎo)航消息重復(fù) 20 次以產(chǎn)生 1000bps 的比特流。然后，重復(fù)信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)度為1023個(gè)芯片的唯一C / A代碼進(jìn)行傳播（芯片是應(yīng)用偽隨機(jī)噪聲碼的速率）。結(jié)果是每秒 1.023 兆比特 （Mbps） 的基帶信號(hào)。因此，GPS系統(tǒng)的43dB處理增益（G）允許其分辨遠(yuǎn)低于熱噪聲水平的信號(hào)。

圖2.民用GPS信號(hào)的結(jié)構(gòu)。

每顆衛(wèi)星都被分配了一個(gè)唯一的C/A代碼，也稱為黃金代碼。5由于黃金代碼表現(xiàn)出優(yōu)異的自相關(guān)和互相關(guān)特性，因此廣泛用于CDMA通信系統(tǒng)，如WCDMA，cdma2000等?；鶐盘?hào)通過(guò)二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）進(jìn)行調(diào)制，并上變頻至L1頻段進(jìn)行傳輸。?

收購(gòu)

由于GPS是CDMA通信系統(tǒng)，因此接收器必須同步偽隨機(jī)噪聲（PRN）代碼，作為解調(diào)數(shù)據(jù)的先決條件。代碼同步通常分兩步實(shí)現(xiàn)：用于粗碼對(duì)齊的代碼采集和用于精細(xì)對(duì)齊的代碼相位跟蹤。6

更明確地說(shuō)，GPS接收器必須首先確定它是否對(duì)某些衛(wèi)星具有視線可見性。眾所周知，每顆衛(wèi)星都由唯一的C / A代碼區(qū)分。當(dāng)衛(wèi)星可見時(shí)，采集確定信號(hào)的頻率和碼相位，進(jìn)而建立相應(yīng)的解調(diào)參數(shù)。接收信號(hào)頻率因多普勒效應(yīng)而異7，這會(huì)導(dǎo)致頻率偏離其標(biāo)稱值 5kHz 至 10kHz，具體取決于衛(wèi)星相對(duì)于接收器的速度。

信號(hào)采集的目的是粗略地確定載波頻率和C/A碼相位，C/A碼相位表示數(shù)據(jù)塊中C/A碼的開始。常見的采集方法包括串行搜索，由于其簡(jiǎn)單的邏輯架構(gòu)，它是硬件實(shí)現(xiàn)的理想選擇，以及頻域并行碼相采集，其低計(jì)算復(fù)雜度使其適用于軟件實(shí)現(xiàn)。

串行搜索模式的框圖（圖3）顯示，接收到的信號(hào)首先下變頻為同相和正交（I和Q）分量。然后，一對(duì)I-Q相關(guān)器將I和Q基帶信號(hào)與本地生成的PRN序列相關(guān)聯(lián)。在一位的持續(xù)時(shí)間內(nèi)積分后，I-Q相關(guān)器輸出相加以提供輸出決策變量。

圖3.時(shí)域中的串行搜索采集。

每當(dāng)決策變量超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)假定相應(yīng)的采集成功，并進(jìn)入跟蹤模式。否則，調(diào)整局部生成的PRN序列的相對(duì)相位和振蕩器頻率以更新決策變量，并重復(fù)上述過(guò)程。串行搜索方法的簡(jiǎn)單邏輯結(jié)構(gòu)使其在ASIC中實(shí)現(xiàn)是可行的，但對(duì)于軟件實(shí)現(xiàn)，由于搜索空間巨大，因此不實(shí)用。假設(shè)系統(tǒng)容許500Hz載波頻率偏移，多普勒頻率為10kHz，則軟件實(shí)現(xiàn)的搜索空間約為2×（10000/500）×1023 = 40，920。顯然，在軟件中進(jìn)行串行搜索采集是困難的。

另一種采集方法稱為頻域并行碼相采集，在軟件實(shí)現(xiàn)中復(fù)雜度較低（圖 4）?；驹硎菍⒍嗥绽疹l率和碼相搜索合二為一，在PRN碼的FFT變換之后，將所有碼相信息反映到頻域中。然后，我們只需要搜索多普勒頻率偏移上的空間，從而實(shí)現(xiàn)快速有效的軟件搜索。

圖4.頻域中的并行搜索采集。

首先，將輸入信號(hào)分別乘以本地產(chǎn)生的正弦和余弦載波（I和Q信號(hào)分量）。然后，I和Q分量組合為FFT模塊的復(fù)數(shù)輸入。此傅里葉變換的結(jié)果乘以 PRN 碼的 FFT 變換的共軛（PRN 生成器生成具有零碼相位的代碼）。在實(shí)踐中，可以將FFT操作和PRN代碼的生成制成表格，以降低計(jì)算復(fù)雜性。

最后，輸入信號(hào)和本地代碼的乘積（表示輸入頻率和載波頻率之間的校正）應(yīng)用于傅里葉逆變換，其平方輸出反饋到?jīng)Q策邏輯。基于FFT的頻域已被證明是計(jì)算的低消耗者。對(duì)于前面提到的示例，采集的復(fù)雜性大約為 20000/500 = 40 FFT 操作。圖5顯示了基于FFT的并行碼采集，用于可見（a）和不可見（b）衛(wèi)星的情況。

圖5.相關(guān)器輸出，用于當(dāng)衛(wèi)星可見（a）和不可見（b）時(shí)基于FFT的并行碼采集。

因此，串行搜索方法具有方便的ASIC實(shí)現(xiàn)所需的簡(jiǎn)單邏輯和控制架構(gòu)。然而，巨大的搜索空間給軟件算法帶來(lái)了復(fù)雜性。因此，串行搜索方法不是軟件GPS接收器的好選擇。相比之下，并行代碼采集方法的低復(fù)雜度使其成為軟件實(shí)現(xiàn)的理想選擇。然而，它的邏輯架構(gòu)比串行搜索方法復(fù)雜得多，因此很難在ASIC中實(shí)現(xiàn)。

跟蹤

采集可建立 GPS 信號(hào)頻率和碼相參數(shù)的粗略對(duì)齊。因此，跟蹤的目的是優(yōu)化這種對(duì)齊，以便系統(tǒng)可以使用精確的碼相位和頻率信息解調(diào)數(shù)據(jù)。跟蹤包括碼相跟蹤和載頻跟蹤。代碼跟蹤是通過(guò)圖 6 所示的延遲鎖緊循環(huán) （DLL） 完成的。

圖6.代碼階段跟蹤技術(shù)。

DLL 電路將輸入信號(hào)乘以 PRN 代碼的三個(gè)本地副本（時(shí)間定位在 ±0.5 芯片），它們表示相對(duì)于輸入信號(hào)的早期、提示和延遲到達(dá)。積分后，這些信號(hào)中的每一個(gè)都表示輸入信號(hào)與本地副本之間的相關(guān)性。然后選擇并保留具有最高相關(guān)值的那個(gè)（圖 7）。載波頻率跟蹤由鎖相環(huán)（PLL）或Costas環(huán)路執(zhí)行。8載波跟蹤的目的是將本地生成的頻率調(diào)整到輸入信號(hào)的確切頻率。

圖7.這些波形說(shuō)明了圖6電路的工作原理。

解調(diào)和位同步

在采集和跟蹤建立初始同步后，可以解碼導(dǎo)航位。數(shù)據(jù)解調(diào)首先將1.023Mbps輸入信號(hào)解擴(kuò)為1000bps位流。然后調(diào)用位同步以從 50bps 流中恢復(fù) 1000bps 信息。

對(duì)于位同步，我們首先需要確定時(shí)間上位的開始。這是通過(guò)找到過(guò)零邊沿（0V）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該邊沿表示位的開始。當(dāng)知道該邊沿時(shí)，我們可以以 1000ms 的間隔對(duì) 20bps 的輸入流進(jìn)行分區(qū)，因?yàn)槲覀冎缹?dǎo)航數(shù)據(jù)消息（50 位）的持續(xù)時(shí)間為 20ms（圖 8）。最后，對(duì)間隔為20ms的位樣本求和并取平均值，以解碼導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

圖8.位同步的注冊(cè)方法。

結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹了有關(guān)軟件GPS接收機(jī)的某些主題，包括GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)，采集，跟蹤和位同步。軟件GPS技術(shù)為許多潛在應(yīng)用提供了高度的靈活性和簡(jiǎn)單性。為了支持這些可能性，MAX2741緊湊、價(jià)格低廉的RF前端為軟件GPS接收器和傳統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)的頻率規(guī)劃提供了靈活性。當(dāng)然，每種解決方案都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) - 軟件GPS接收器需要高性能處理器和適量的內(nèi)存。

審核編輯：郭婷