筆記本電腦借助通用GPS RF前端實現(xiàn)軟件基帶處理 - 全文

近來，通信和導航工程師越來越傾向在全球定位系統(tǒng)(GPS)中采用軟件技術。1,2 由于超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，性能強大的CPU和DSP能夠通過軟件對GPS信號進行實時檢測和解碼。這些基于軟件的GPS接收機具有相當強的靈活性：只需修改設置參數(shù)即可適應新的應用，無需重新設計硬件，選擇一個IF，就可完成進一步的系統(tǒng)升級。

利用MAX2769 GPS接收機RF前端芯片，簡單的USB dongle或PCI Express® (PCIe®)迷你卡就可以為筆記本電腦增加低成本的GPS功能。MAX2769將接收到的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C主機，PC主機利用軟件實現(xiàn)基帶解碼，從而省去了單機GPS系統(tǒng)所需要的基帶ASIC的成本。簡單的說，MAX2769使設計人員可以利用單芯片實現(xiàn)GPS和Galileo系統(tǒng)信號處理的適配器。

本文給出了GPS系統(tǒng)的工作狀態(tài)概述，并詳細描述了Maxim的基于軟件的GPS接收機方案。

GPS基本原理

GPS系統(tǒng)包含24顆空間衛(wèi)星或空間運載器(每個都用唯一的偽隨機噪聲編碼識別)、地面控制站以及用戶設備(接收機)。對于民用GPS和Galileo系統(tǒng)，這些衛(wèi)星通過頻率為1.57542GHz的L1波段進行通信。3 GPS接收機必須捕獲到至少四顆衛(wèi)星的信號才能進行可靠定位，信號捕獲和跟蹤非常復雜，因為每顆衛(wèi)星和接收機的位置時刻都在變化。

圖1. 民用GPS信號發(fā)生器采用擴頻技術發(fā)送信號。

GPS信號

GPS系統(tǒng)實際上是一個簡單的擴頻通信系統(tǒng)。4 圖1提供了一個民用GPS系統(tǒng)的信號發(fā)生電路。首先，50bps的導航信息重復20次，形成1000bps的比特流。然后這個重復信號被長度為1023碼片(偽隨機噪聲(PRN)碼的碼速)的唯一粗調(diào)/捕獲碼(C/A)進行擴頻，形成1.023Mcps的基帶信號。此用這種擴頻方法后，43dB大小的GPS系統(tǒng)的總處理增益(G)可以很好地恢復比熱噪聲電平低得多的信號。

每顆衛(wèi)星都有唯一的C/A碼或者說Gold碼。5 由于具有很好的自相關和互相關性，Gold碼被廣泛用于各種CDMA通信系統(tǒng)，如WCDMA和cdma2000®。基帶信號經(jīng)過二元相移鍵控(BPSK)調(diào)制后被上變頻到L1波段進行傳輸。

信號捕獲

因為GPS是一種CDMA通信系統(tǒng)，所以作為解調(diào)數(shù)據(jù)的先決條件，接收機必須與PRN碼進行同步。實現(xiàn)代碼同步通常需要兩個步驟：用來實現(xiàn)粗對準的代碼捕獲和用來實現(xiàn)精細對準的代碼相位跟蹤。6 更明確地講，GPS接收機必須首先確定它對某顆衛(wèi)星是否具有視距上的可視性。我們知道，每顆衛(wèi)星都由唯一的C/A碼來區(qū)分。當衛(wèi)星可視時，由捕獲過程判斷信號的頻率和代碼相位，然后確定相應的解調(diào)參數(shù)。由于存在多普勒效應，根據(jù)衛(wèi)星相對于接收機的速度，接收信號的頻率一般會偏移標稱值5kHz到10kHz。

在接收器端，GPS信號首先被下變頻到同向和正交(I和Q)分量信號。再由一對I和Q相關器將I/Q基帶信號與本地PRN序列進行相關運算。經(jīng)過一個比特周期的積分后，I-Q相關器的輸出被累加起來以提供輸出判定變量。

只要判定變量超過一定的門限，系統(tǒng)就認為成功地實現(xiàn)了捕獲，繼而進入跟蹤模式。否則，就通過調(diào)節(jié)本地PRN序列的相對相位和振蕩器頻率，來更新判定變量，并重復上述過程。

串行搜索方法的簡單邏輯結(jié)構(gòu)使它非常適合用ASIC實現(xiàn)，而用軟件實現(xiàn)就不切實際了，因為搜索空間非常大。假設系統(tǒng)允許500Hz的載波頻率偏移，多普勒頻率是10kHz，軟件實現(xiàn)需要的搜索空間大概為2 × (10,000/500) × 1023 = 40,920。很明顯，用軟件實現(xiàn)串行搜索捕獲比較困難。

另外一種更簡單的軟件捕獲方法叫做頻域并行代碼相位捕獲。這種方法將多普勒頻率和代碼相位搜索合并起來，在經(jīng)過PRN碼的快速傅立葉變換(FFT)后，將所有代碼相位信息轉(zhuǎn)換到頻域內(nèi)。這樣我們只需要搜索多普勒頻移上的空間即可，因此這是一種快速高效的軟件搜索方法。

首先，將輸入信號與本地正弦和余弦載波(同向I和正交Q信號分量)分別相乘。然后把I和Q分量合并成一個復合信號輸入到FFT模塊。傅立葉變換的結(jié)果再和PRN碼的FFT變換結(jié)果相乘(PRN生成器產(chǎn)生代碼相位為零的代碼)。實際上，F(xiàn)FT運算和PRN碼的產(chǎn)生可以采用列表的方法，以降低運算的復雜性。

最后，輸入信號與本地代碼的乘積(該乘積代表了輸入信號和載波頻率的相關性)被送到傅立葉逆變換模塊，該模塊的自乘輸出結(jié)果再被反饋到判定邏輯?；贔FT的頻域計算被證實具有較小的運算量。例如之前提到的那個例子， 捕獲運算的復雜性大概為20,000/500 = 40次FFT運算操作。

串行搜索方法具有簡單的邏輯和控制架構(gòu)，非常適合ASIC實現(xiàn)。然而，巨大的搜索空間增加了軟件算法的復雜性。所以對于軟件GPS接收機來說，串行搜索方法并不是一個好的選擇。相反，并行代碼捕獲方法的低復雜性使它很適合用軟件實現(xiàn)。然而，它的邏輯架構(gòu)遠比串行搜索方法復雜，因此很難用ASIC實現(xiàn)。

跟蹤細調(diào)

捕獲過程建立了對GPS信號的頻率和代碼相位參數(shù)的粗校準。因此，跟蹤的目的是進行細調(diào)，以便系統(tǒng)能用精確的代碼相位和頻率信息解調(diào)出數(shù)據(jù)。跟蹤包括代碼相位跟蹤和載波頻率跟蹤。

代碼跟蹤用延時鎖相環(huán)(DLL)實現(xiàn)，如圖2所示。DLL電路把輸入信號乘以PRN碼的三個復制碼(間隔±0.5碼片)，這三個復制碼分別代表和輸入信號相比提前、準時和落后到達。經(jīng)過綜合后，這些信號分別代表輸入信號和本地復制碼之間的相關性。具有最高相關值的信號被選中保留下來(圖3)。

圖2. 使用延時鎖相環(huán)作代碼跟蹤幫助細調(diào)，以便系統(tǒng)能用精確的代碼相位和頻率信息解調(diào)出數(shù)據(jù)。

圖3. DLL電路把輸入信號乘以PRN碼的三個復制碼(間隔±0.5碼)，這三個復制碼分別代表和輸入信號相比提前、準時和落后到達。具有最高相關值的信號被選中保留下來。

載波頻率跟蹤由鎖相環(huán)(PLL)或者Costas環(huán)路完成。8 載波跟蹤的目的是把本地頻率調(diào)節(jié)為輸入信號的實際頻率。

當捕獲和跟蹤過程建立起初始同步后，系統(tǒng)能夠解碼出導航比特。將1.023Mcps的輸入信號解擴為1000bps的比特流后就開始解調(diào)數(shù)據(jù)。然后利用比特同步從1000bps的數(shù)據(jù)流中恢復出50bps的信息。比特同步需要通過尋找零交叉沿(0V)來識別比特流的起始位置。如果這個交叉沿是已知的，我們可以用20ms的間隔分割1000bps輸入流，因為導航數(shù)據(jù)信息(50位)的持續(xù)時間為20ms。最后，以20ms間隔排列的比特取樣累加起來取平均值，從而解碼出導航數(shù)據(jù)。

基于軟件的GPS接收機

傳統(tǒng)的GPS接收機采用ASIC實現(xiàn)信號捕獲、跟蹤和位同步操作，而軟件GPS接收機用軟件代替硬件實現(xiàn)這些功能，因此具有更高的靈活性。通過簡化硬件架構(gòu)，基于軟件的設計能夠進一步縮小接收機尺寸，降低成本，并具有更高效率。程序可以使用C/C++、MATLAB®或其它語言編寫，并可移植到各種操作系統(tǒng)中(嵌入式操作系統(tǒng)、PC、Linux和DSP平臺)。由此看來，軟件GPS接收機能夠為移動終端、PDA及其它類似設備提供最大的設計靈活性。

對于筆記本電腦，設計人員可以設計USB dongle (可配合任何帶USB端口的筆記本電腦一起工作)。對于新一代帶有PCIe迷你卡連接器的筆記本電腦，可以把RF前端置于PCIe迷你卡上，并把它插入PC內(nèi)部(圖4a，圖4b)。PCIe迷你卡接口包含一個USB口，因此，前端適配器設計對于USB和PCIe迷你卡而言非常相似。主要區(qū)別在于：支持PCIe需要不同的電源管理邏輯電壓，需要處理不同的直流電壓(PCIe為3.3V，外部USB端口為5V)。

圖4. 針對USB dongle (a)、PCIe迷你卡(b)的典型適配器結(jié)構(gòu)，為兩種方案均可提供了簡單、低成本的設計。

從圖5b所示USB dongle框圖可以看出該方案非常簡單，只使用了一個通用GPS接收器MAX2769、一個計數(shù)器和USB接口控制器，即可捕獲信號，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最終傳遞給PC主機。然后，通過運行PC主機軟件執(zhí)行所有基帶功能，將定位信息顯示在PC 顯示器上。這樣，筆記本PC 便成了一個強大的GPS設備，可支持導航和基于定位的服務。

GPS前端通過工業(yè)標準USB 2.0接口把數(shù)字化的IF數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦。軟件基帶程序利用輸入數(shù)據(jù)計算出位置方位并隨后執(zhí)行跟蹤過程。Geotate是可選的一個軟件來源。

為提供通用接口，此軟件能創(chuàng)建一個虛擬COM端口，使其可以連接到很多現(xiàn)有的導航和定位應用。大部分GPS軟件包接口符合NMEA 0183標準，通常都可以運行在Microsoft的Windows® XP和Windows Vista®操作系統(tǒng)中。另外，此軟件能夠處理所有可得的輔助數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)可以從工業(yè)標準協(xié)議或者用戶專有的接口取得。

當前的筆記本電腦里所帶的CPU均具備滿足軟件GPS接收機實時解碼所需的運算能力。當在1GHz Pentium® M系統(tǒng)中，跟蹤過程中平均處理器負載大約為6%；而在2.18GHz Core™ Duo處理器上，在執(zhí)行每秒更新時，處理器負載通常低于5%。隨著算法的發(fā)展，有可能把CPU的使用率降低到2%以下。

圖5. (a)軟件GPS接收機中，需要對捕獲的RF信號進行放大、變頻、數(shù)字化。(b)實際接收機中，低噪聲放大器對RF信號進行放大，MAX2769對放大后的信號進行變頻和數(shù)字化處理。然后，通過計數(shù)器和USB接口控制器將數(shù)據(jù)按照USB協(xié)議傳輸給PC主機。

電路工作原理和性能

基于軟件的GPS接收機RF前端首先使用低噪聲放大器(LNA)放大微弱的輸入信號，然后經(jīng)過下變頻將信號轉(zhuǎn)換到較低頻率(4MHz左右)的IF (圖5a)。下變頻器采用一路或兩路混頻器對輸入RF信號和本機振蕩器信號進行混頻，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)把生成的模擬IF信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字IF信號。

MAX2769將所有功能電路(LNA、混頻器和ADC)集成到一起，可大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間。該芯片提供了兩個LNA：其中一個LNA具有低至0.9dB的噪聲系數(shù)、19dB增益、-1dBm的IP3，可配合無源天線使用；另一個LNA則具有1.5dB的噪聲系數(shù)、較低增益/功耗和較高的IP3，可配合有源天線使用。2.8V供電時，消耗的電流最小，且僅為13mA至18mA，具體取決于電路配置。

RF端，在放大器之后通常使用外部RF濾波器。然后使用集成的20位，Σ-Δ N分頻合成器和15位整數(shù)分頻器將信號直接下變頻到0至12MHz所要求的IF頻率。IF濾波器的選擇范圍較廣，可以適應不同的架構(gòu)，例如Galileo。

從RF輸入至IF輸出的總增益能夠在60dB至115dB范圍內(nèi)調(diào)節(jié)或進行自動控制。輸出可以選擇為模擬、CMOS或有限差分。內(nèi)部ADC具有可設置的一到三位輸出。集成參考時鐘振蕩器可以使用晶體或溫補晶振(TCXO)，也可以使用8MHz至44MHz頻率范圍的輸入?yún)⒖紩r鐘。

我們利用MAX2769和工作在24MHz參考時鐘的Cypress Semiconductor的USB控制器構(gòu)建了一個簡單的USB dongle參考設計(如圖5 b 所示)。該設計利用一路MAX8510 LDO調(diào)節(jié)直流電源。通過3線(SPI™)數(shù)字總線對MAX2769的寄存器進行編程。系統(tǒng)也可以在沒有SPI控制的情況下工作在八種硬件模式的任意一種。

芯片內(nèi)的電路對有源天線進行偏置，關斷模式下將天線關閉，滿足USB規(guī)范。MAX2769能夠檢測到天線電源是否有電流消耗，并自動切換LNA1和LNA2，對于能夠插入靈敏度更高的有源天線替代無源天線的應用，這是一個非常理想的功能。設計人員只需要把外部天線端口連接到LNA2，把內(nèi)部端口連接到LNA1。插入外部天線時，MAX2769將檢測到吸電流，可自動由LNA1切換到LNA2。

MAX2769為筆記本電腦、手機、PDA和汽車應用提供了一個高性能、緊湊的解決方案。利用已經(jīng)商用化的GPS軟件包，115dB的總電壓增益和1.4dB的模塊噪聲系數(shù)能夠達到-143dBm 的捕獲靈敏度和-154dBm的跟蹤靈敏度。

結(jié)論

軟件技術可實現(xiàn)簡單的、低成本GPS應用。為支持這些可能性，MAX2769為軟件GPS接收機和傳統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方法提供靈活的頻率規(guī)劃。當然，每種方案都有正反面—軟件GPS接收機需要高性能的處理器和適量的內(nèi)存。然而，隨著軟件的發(fā)展，對時鐘、數(shù)據(jù)更新速率進行合理的選擇，需要的內(nèi)存可以最小化。

參考文獻

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