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MRFIC1502在GPS接收器中的應(yīng)用
摘要：首先，介紹全球定位系統(tǒng)（GPS）接收器的結(jié)構(gòu)和摩托羅拉公司生產(chǎn)的射頻降頻變換器MRFIC1502，給出用MRFIC1502設(shè)計(jì)GPS接收器的硬件連接圖。然后，分析該接收器的射頻輸入，中頻濾波、鎖相回路和采樣時(shí)鐘等部分的工作原理，指出印制電路板設(shè)計(jì)中要注意的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：降頻變換器 MRFIC1502 GPS 接收器
引言
全球定位系統(tǒng)（GPS）的空間部分使用由24顆高度約2.02萬(wàn)km的衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座。21+3顆衛(wèi)星均為近圓形軌道，運(yùn)行周期約為11h58min(11時(shí)58分)，分布在6個(gè)軌道面上（每軌道面4顆），軌道傾角為55°。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP），在時(shí)間上提供了連續(xù)的全球?qū)О隳芰ΑＣ款w衛(wèi)星不斷地用兩個(gè)L波段（390～1550MHz）廣播導(dǎo)航信息。這兩個(gè)L波段分別是頻率為1574.42MHz的鏈接1（L1）和頻率為1227.6MHz的鏈接2（L2）。C/A碼（Coarse Acquistion Code）和P碼（Precise Code）在L1上廣播，加密碼（encrypted code）只在L2上廣播。摩托羅拉的射頻降頻變換器MRFIC1502是為了接收L1上的C/A碼而設(shè)計(jì)的。本文主要論述在GPS接收器中，MRFIC1502作為降頻變換器的用法。
1 GPS接收器的結(jié)構(gòu)
L1上的C/A碼必須以一定的功率增益廣播，以保證在用戶接收設(shè)備上最小功率為-160dBW(分貝瓦)的要求。1575.42MHz的載波通過(guò)調(diào)制，含有C/A碼和P碼。此外，導(dǎo)航數(shù)據(jù)流用雙相移鍵控制方式通過(guò)載波傳送，數(shù)據(jù)速率為50bps。C/A碼的帶寬為2.046MHz(±1.023MHz)，P碼的帶寬為20.46MHz（±10.23MHz）。
GPS技術(shù)聲明中規(guī)定，晴天時(shí)，接收器天線接收到的功率增益大于-130dBW。任何障礙物，如樹(shù)林或建筑物，都會(huì)使信號(hào)減弱，因此，建議在考慮系統(tǒng)靈敏度時(shí)，至少給系統(tǒng)留5.0～7.0dB的余量。解調(diào)方案也會(huì)對(duì)整個(gè)接收器的靈敏度產(chǎn)生影響，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)也要充分考慮這點(diǎn)。
圖1
典型的GPS接收器結(jié)構(gòu)如圖1所示。信號(hào)送給MRFIC1502前，經(jīng)過(guò)放大和兩次濾波。下文將討論GPS接收器的各個(gè)功能部分。
低噪聲放大器是GPS射頻接收器中最重要的部分。這個(gè)放大器基本上可以決定整個(gè)接收器的噪聲大小，因此，是接收器靈敏度的直接決定因素。低噪聲放大器推薦用MRFIC1501實(shí)現(xiàn)。5V供電時(shí)，MRFIC1501工作電流為7.0mA，功率每增加17dB，噪聲信號(hào)增加1.5dB。
圖1所示的第二個(gè)濾波器是個(gè)普通濾波器，必須滿足每增加15dB的信號(hào)增益，噪聲增加不能大于3.0dB；兩個(gè)陶瓷濾波器為KFF6338，也是摩托羅拉的產(chǎn)品。由于噪聲系統(tǒng)每增加1.0dB，接收器的靈敏度就大約減少1.0dB，所以，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮濾波器和低噪聲放大器的選型。
陶瓷濾波器的選擇對(duì)GPS接收器的性能有直接影響，選擇不好，干擾信號(hào)會(huì)很大。干擾信號(hào)對(duì)接收器的影響有兩方面：第一，如果帶外濾波不充分，干擾信號(hào)可能會(huì)引起低噪聲放大器或降頻變換器非線性工作，這會(huì)造成不真實(shí)輸出或加大接收器的噪聲系數(shù)；第二，如果解調(diào)器的干擾信號(hào)過(guò)大，則接收器處理的信號(hào)不真實(shí)，不能輸出定位信息。
2 MRFIC1502介紹
MRFIC1502的模塊結(jié)構(gòu)與引腳布置如圖2所示，芯片為四邊扁平封裝（TQFP），共48個(gè)引腳。MRFIC1502為標(biāo)準(zhǔn)的雙降頻變換，可以配置為固定頻率的鎖相環(huán)（phase-locked loop）來(lái)產(chǎn)生兩個(gè)本地振蕩器和緩沖器，為數(shù)字相關(guān)器和多路器提供采樣時(shí)鐘。片內(nèi)也合成了L波段航行振蕩所用的活性元件。該芯片使用了摩托羅拉第三代氧化物自排列集成電路的硅雙極加工技術(shù)。芯片的典型應(yīng)用電路由下文給出。
3 GPS接收器的實(shí)現(xiàn)
GPS接收器的MRFIC1502部分如圖3所示。
圖2
（1）射頻輸入
MRFIC1502片內(nèi)有50Ω的電阻與射頻輸入信號(hào)匹配。輸入放大器的噪聲系統(tǒng)大約為4.5dB，增益為13dB。放大器的輸出直接送給一級(jí)混頻器。混頻器提供7.0dB的轉(zhuǎn)換增益，其輸出送給片外的濾波器。輸入放大器和混頻器的噪聲系統(tǒng)累加到9.5dB。
放大器與混頻器由獨(dú)立的VCC供電（42引腳），以減小與其它電路之間的耦合。在外部電路設(shè)計(jì)和印制電路板時(shí)，必須注意這點(diǎn)。一般，用兩個(gè)旁路電容與42引腳相連，一個(gè)用于過(guò)濾高頻元件的干擾信號(hào)，另一個(gè)用于過(guò)濾低頻元件的干擾信號(hào)。這兩個(gè)電容應(yīng)盡量靠近42引腳，以減小線路的感應(yīng)系數(shù)；同理，這兩個(gè)電容的另一端應(yīng)盡量靠近地。設(shè)計(jì)中，如果注意到上述問(wèn)題，放大器的工作會(huì)很穩(wěn)定；反之，射頻輸入可能會(huì)很不穩(wěn)定。
（2）一級(jí)中頻濾波器
一級(jí)中頻濾波器的主要作用是過(guò)濾混頻器混頻過(guò)程中摻入的無(wú)用信號(hào)。一級(jí)混頻器的輸出
阻抗為50Ω，而一級(jí)中頻放大器的輸入阻抗為1000Ω。本應(yīng)用中的中頻濾波器的輸入阻抗為50Ω，輸出阻抗為200Ω，并且其頻寬為15MHz。MRFIC1502片內(nèi)電平變換器輸出的是TTL電平信號(hào)，設(shè)計(jì)中也應(yīng)考慮到電平問(wèn)題。
（3）鎖相環(huán)設(shè)計(jì)
壓控振蕩器（VCO）的信號(hào)為1527.68MHz，其通過(guò)40分頻后得到38.19MHz的二極本振頻率。二級(jí)本振信號(hào)除了為二級(jí)混頻器提供本振信號(hào)之外，其通過(guò)轉(zhuǎn)換器輸出38MHz的信號(hào)，作為數(shù)字相關(guān)器和多路器的采樣時(shí)鐘。38.19MHz經(jīng)過(guò)2分頻，得到19.096的頻率信號(hào)，這個(gè)信號(hào)一般用于相位檢測(cè)。相位檢測(cè)器的參考輸入（18引腳）一般最小為400mV，最大為2.5mV。MRFIC1502的相位檢測(cè)器是基于MC12040設(shè)計(jì)的，但在低耗等方面做了一些改進(jìn)。
（4）采樣時(shí)鐘輸出
壓控振蕩器的信號(hào)經(jīng)過(guò)40分頻后，再經(jīng)過(guò)時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器，把正弦波變?yōu)門(mén)TL方波。TTL電平信號(hào)用作數(shù)字相關(guān)器和多路器的采樣時(shí)鐘，同時(shí)，也為片內(nèi)的其它部分提供內(nèi)部時(shí)鐘。由于轉(zhuǎn)換器的工作頻率為高頻率38MHz，輸出為方波，所以波形比較尖。輸出端用1000Ω的電阻和40pF電容并聯(lián)時(shí)，其最大瞬間電流可能會(huì)達(dá)到50mA。因此，轉(zhuǎn)換器由獨(dú)立的VCC引腳（28引腳）供電，電阻和電容的接法如圖3所示。
圖3
（5）PCB布局規(guī)則
在PCB布局時(shí)，旁路電阻應(yīng)盡量靠近芯片引腳。某些重要元件可以布置在MRFIC1502的背面，使得MRFIC1502到這些元件的路徑盡量短。壓控振蕩器可能會(huì)與阻抗引起共振，在PCB布局時(shí)也必須考慮到這一點(diǎn)。L頻段的輸入和轉(zhuǎn)換器之間如果靠近太近，也可能會(huì)產(chǎn)生電流耦合。在應(yīng)用中，如果產(chǎn)生這種耦合，接收器會(huì)變得對(duì)干擾信號(hào)非常敏感。為了減小這種耦合，可采用帶狀線結(jié)構(gòu)，而不采用微波傳輸帶結(jié)構(gòu)。
4 總結(jié)
本文描述了應(yīng)用MRFIC1502進(jìn)行GPS接收器設(shè)計(jì)的方法。文中給出的外圍電路適合多路不同應(yīng)用場(chǎng)合。關(guān)于MRFIC1502芯片的資料，讀者可以登錄摩托羅拉的網(wǎng)站獲得隨著GPS的發(fā)展，GPS接收器的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。由于各大公司提供的降頻變換芯片的集成度越來(lái)越高，GPS接收器的設(shè)計(jì)也應(yīng)該會(huì)變得越來(lái)越簡(jiǎn)單。
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