摘 要：簡(jiǎn)要說明了GPS系統(tǒng)的基本原理，分析了GPS信號(hào)發(fā)生器及其信號(hào)捕獲、跟蹤的方法，以及軟件GPS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用，詳細(xì)介紹了利用MAX2769等GPS接收機(jī)射頻（RF）前端芯片及簡(jiǎn)單的USB dongle或PCI Express迷你卡實(shí)現(xiàn)軟件基帶處理" title="基帶處理">基帶處理，從而在筆記本電腦中以低成本實(shí)現(xiàn)靈活的GPS功能的方法。
關(guān)鍵詞：GPS接收機(jī)RF前端；軟件基帶處理；MAX2769芯片
?
??? 近來，應(yīng)用在全球定位系統(tǒng)(GPS)[1][2]中的軟件技術(shù)已經(jīng)引起了通信和導(dǎo)航應(yīng)用工程師的濃厚興趣。由于超大規(guī)模集成電路(VLSI)的發(fā)展，性能強(qiáng)大的CPU和DSP能夠通過軟件對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和解碼。這些基于軟件的GPS接收機(jī)具有相當(dāng)強(qiáng)的靈活性：只需修改設(shè)置參數(shù)即可適應(yīng)新的應(yīng)用，無需重新設(shè)計(jì)硬件，選擇一個(gè)中頻（IF），就可完成進(jìn)一步的系統(tǒng)升級(jí)。
??? 目前，筆記本電腦的CPU足以支持實(shí)時(shí)解碼的要求，利用MAX2769等GPS接收機(jī)射頻（RF）前端芯片，簡(jiǎn)單的USB dongle或PCI Express迷你卡就可以為筆記本電腦增加低成本的GPS功能。接收到的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X主機(jī)，電腦主機(jī)利用軟件實(shí)現(xiàn)基帶解碼，從而省去了單機(jī)GPS系統(tǒng)所需要的基帶ASIC的成本。利用類似于MAX2769的接收機(jī)，設(shè)計(jì)人員可以利用單芯片實(shí)現(xiàn)GPS和Galileo系統(tǒng)信號(hào)處理的適配器。
電路原理
??? 基于軟件的GPS接收機(jī)射頻前端首先使用低噪聲放大器(LNA)放大微弱的輸入信號(hào)" title="輸入信號(hào)">輸入信號(hào)，然后經(jīng)過下變頻將信號(hào)轉(zhuǎn)換到較低頻率(4MHz左右)的IF(圖1)。下變頻器采用一路或兩路混頻器對(duì)輸入射頻信號(hào)和本機(jī)振蕩器信號(hào)進(jìn)行混頻，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)把生成的模擬中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻信號(hào)。
?
?
??? 所有功能電路（LNA、混頻器和ADC)都集成到了MAX2769中，可大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。該芯片提供了兩個(gè)低噪放選擇，第一個(gè)低噪放具有低至0.9dB的噪聲系數(shù)、19dB的增益、-1dBm的IP3，配合無源天線使用；第二個(gè)低噪放具有1.5dB的噪聲系數(shù)、較低增益/功耗和較高的IP3，配合有源天線使用。2.8V供電時(shí)，電流消耗僅為13mA～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-ΔN分頻合成器和15位整數(shù)分頻器將信號(hào)直接下變頻到0～12MHz所要求的中頻頻率。中頻濾波器的選擇范圍較廣，可以適應(yīng)不同的架構(gòu)，例如Galileo。
??? 從射頻輸入到中頻輸出的總增益能夠在60dB～115dB范圍內(nèi)調(diào)節(jié)或進(jìn)行自動(dòng)增益控制。輸出可以選擇為模擬、CMOS或有限差分。內(nèi)部ADC具有可設(shè)置的1～3位輸出。集成參考時(shí)鐘振蕩器可以使用晶體或溫補(bǔ)晶振(TCXO)，也可以使用8MHz～44MHz頻率范圍的輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘。
??? 利用MAX2769和工作在24MHz參考時(shí)鐘的Cypress USB控制器構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的USB dongle參考設(shè)計(jì)(如圖2所示)。該設(shè)計(jì)利用一路低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)MAX8510供電，通過3線(SPI)數(shù)字總線對(duì)MAX2769的寄存器進(jìn)行編程。系統(tǒng)也可以在沒有SPI控制的情況下工作在8種硬件模式的任意一種。
?
??? 實(shí)際接收機(jī)中，低噪聲放大器對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大，MAX2769對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行變頻和數(shù)字化處理。然后，通過計(jì)數(shù)器和USB控制器將數(shù)據(jù)按照USB協(xié)議傳輸給PC主機(jī)。
??? 芯片內(nèi)的電路對(duì)有源天線進(jìn)行偏置，關(guān)斷模式下將天線關(guān)閉，滿足USB規(guī)范。MAX2769能夠檢測(cè)到天線電源是否有電流消耗，并自動(dòng)切換LNA1和LNA2，對(duì)于能夠插入靈敏度更高的有源天線替代無源天線的應(yīng)用，這是一個(gè)非常理想的功能。設(shè)計(jì)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(shí)，MAX2769將檢測(cè)到吸電流，可自動(dòng)由LNA1切換到LNA2。
??? MAX2769多頻段GPS接收芯片為筆記本電腦、手機(jī)、PDA和汽車應(yīng)用提供了一個(gè)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(dá)到-143dBm的捕獲靈敏度和-154dBm的跟蹤靈敏度。
GPS原理
??? 在著手USB或PCIe硬件設(shè)計(jì)之前，首先回顧一下軟件GPS接收機(jī)的基本原理。關(guān)于解碼導(dǎo)航信息和定位計(jì)算，感興趣的讀者可以參考文獻(xiàn)[2]。
??? GPS系統(tǒng)包含24顆空間衛(wèi)星或空間運(yùn)載器(每個(gè)都用唯一的PRN碼識(shí)別)、地面控制站以及用戶設(shè)備(接收機(jī))。對(duì)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(jìn)行通信。GPS接收機(jī)必須捕獲到至少四顆衛(wèi)星的信號(hào)才能進(jìn)行可靠定位，信號(hào)捕獲和跟蹤非常復(fù)雜，因?yàn)槊款w衛(wèi)星和接收機(jī)的位置時(shí)刻都在變化。
??? 傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)采用ASIC實(shí)現(xiàn)信號(hào)捕獲、跟蹤和位同步操作，而軟件GPS接收機(jī)用軟件代替硬件實(shí)現(xiàn)這些功能，因此具有更高的靈活性。通過簡(jiǎn)化硬件架構(gòu)，基于軟件的設(shè)計(jì)能夠進(jìn)一步縮小接收機(jī)尺寸，降低成本，并具有更高效率。程序可以使用C/C++、MATLAB或其他語言編寫，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(tái))。由此看來，軟件GPS接收機(jī)能夠?yàn)橐苿?dòng)終端、便攜式數(shù)字助理(PDA)及其他類似設(shè)備提供最大的設(shè)計(jì)靈活性。
??? 對(duì)于筆記本電腦，設(shè)計(jì)人員可以設(shè)計(jì)USB dongle(可配合任何筆記本電腦的USB口工作），也可以使用新一代筆記本電腦（帶有PCIe迷你卡連接器），可以把射頻前端置于PCIe迷你卡上，并把它插入PC內(nèi)部(如圖3、圖4)。PCIe迷你卡接口包含一個(gè)USB口，因此，前端適配器設(shè)計(jì)對(duì)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口為5V）。
?
?
?
?
??? 從圖2所示USB dongle框圖可以看出該方案非常簡(jiǎn)單，只使用了MAX2769、一個(gè)計(jì)數(shù)器和USB接口控制器，即可捕獲信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最終傳遞給PC主機(jī)。然后，通過運(yùn)行PC主機(jī)軟件執(zhí)行所有基帶功能，將定位信息顯示在PC顯示器上。
?
?
GPS信號(hào)發(fā)生器
??? 本文只討論位于1.57542GHz L1波段的民用GPS信號(hào)處理。GPS系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)簡(jiǎn)單的擴(kuò)頻" title="擴(kuò)頻">擴(kuò)頻通信系統(tǒng)[3]。圖5提供了一個(gè)民用GPS系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生電路框圖。首先，50b/s" title="b/s">b/s的導(dǎo)航信息重復(fù)20次，形成1 000b/s的比特流。然后這個(gè)重復(fù)信號(hào)被長(zhǎng)度為1 023碼片(偽隨機(jī)噪聲碼的碼速)的唯一粗捕獲碼(C/A碼)進(jìn)行擴(kuò)頻，形成1.023Mb/s的基帶信號(hào)" title="基帶信號(hào)">基帶信號(hào)。采用這種擴(kuò)頻方法后，43dB的GPS系統(tǒng)的總處理增益可以很好地恢復(fù)比熱噪聲電平低得多的信號(hào)。
?
??? 每顆衛(wèi)星都有唯一的C/A碼(或gold碼)[4]。由于具有很好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，gold碼被廣泛用于各種CDMA通信系統(tǒng)，如WCDMA、cdma2000等?；鶐盘?hào)經(jīng)過二元相移鍵控(BPSK)調(diào)制后被上變頻到L1波段進(jìn)行傳輸。
信號(hào)捕獲
??? 因?yàn)镚PS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(jī)必須與偽隨機(jī)噪聲(PRN)碼進(jìn)行同步。實(shí)現(xiàn)碼同步通常需要兩個(gè)步驟：通過碼捕獲實(shí)現(xiàn)粗調(diào)，以及通過碼相位跟蹤實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)[5]。更明確地講，GPS接收機(jī)必須首先確定它對(duì)某顆衛(wèi)星是否具有視線上的可視性。我們知道，每顆衛(wèi)星都具有唯一的C/A碼，當(dāng)衛(wèi)星可視時(shí)，捕獲過程測(cè)定信號(hào)的頻率和碼相位，進(jìn)而確定相應(yīng)的解調(diào)參數(shù)。由于存在多普勒效應(yīng)[6]，根據(jù)衛(wèi)星相對(duì)于接收機(jī)的速度，接收信號(hào)的頻率一般會(huì)偏離標(biāo)稱值5kHz～10kHz。
??? 在接收端，GPS信號(hào)首先被下變頻到同向和正交(I和Q)分量信號(hào)。再通過一對(duì)I-Q相關(guān)器將I/Q基帶信號(hào)與本地PRN序列做相關(guān)運(yùn)算。經(jīng)過一個(gè)比特周期的積分運(yùn)算后，兩個(gè)I-Q相關(guān)器的輸出被累加起來作為輸出判定變量。
??? 只要判定變量超過一定的閾值，系統(tǒng)就認(rèn)為已成功地實(shí)現(xiàn)了捕獲，繼而進(jìn)入跟蹤模式。否則，就通過調(diào)節(jié)本地PRN序列的相對(duì)相位和振蕩器頻率，來更新判定變量，并重復(fù)上述過程。串行搜索方法的邏輯結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以用ASIC實(shí)現(xiàn)；而對(duì)于軟件實(shí)現(xiàn)來說，由于搜索空間非常大，實(shí)施起來不太現(xiàn)實(shí)。
??? 假設(shè)系統(tǒng)允許的載波頻率偏移為500Hz、多普勒頻率為10kHz，則用軟件實(shí)現(xiàn)所需的搜索空間約為2×(10 000/500)×1 023=40 920。很明顯，用軟件實(shí)現(xiàn)串行搜索捕獲比較困難。
??? 另外一種捕獲方法是頻域并行碼相位捕獲法，該方法復(fù)雜度較低，可以用軟件實(shí)現(xiàn)。該方法將多普勒頻率搜索和碼相位搜索合并起來，經(jīng)過PRN碼的快速傅立葉變換(FFT)后，將所有的碼相位信息映射到頻域內(nèi)。這樣只需要搜索多普勒頻移上的空間即可，因此可以實(shí)現(xiàn)快速高效的軟件搜索。
??? 為實(shí)現(xiàn)上述捕獲方法，首先將輸入信號(hào)與本地正弦和余弦載波(同向I和正交Q信號(hào)分量)分別相乘。然后把I和Q分量合并成一個(gè)復(fù)合信號(hào)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)果的共軛相乘(PRN生成器產(chǎn)生碼相位為零的碼)。實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)FT運(yùn)算和PRN碼的產(chǎn)生可以采用列表的方法，以降低運(yùn)算的復(fù)雜度。
??? 最后，對(duì)輸入信號(hào)與本地碼的乘積(該乘積代表了輸入信號(hào)和載波頻率之間的相關(guān)性)進(jìn)行傅立葉逆變換，然后將變換后的平方輸出反饋到判定邏輯模塊?；贔FT的頻域計(jì)算被證實(shí)具有較小的運(yùn)算量，例如之前提到的例子，捕獲運(yùn)算的復(fù)雜度約為20 000/500=40個(gè)FFT運(yùn)算操作。
??? 綜上所述，串行搜索方法具有簡(jiǎn)單的邏輯和控制架構(gòu)，非常適合ASIC實(shí)現(xiàn)。然而巨大的搜索空間增加了軟件算法的復(fù)雜性，所以對(duì)于軟件GPS接收機(jī)來說，串行搜索方法并不是一個(gè)好的選擇。相反，并行碼捕獲方法的復(fù)雜度低，使其非常適合用軟件實(shí)現(xiàn)，然而它的邏輯架構(gòu)遠(yuǎn)比串行搜索方法復(fù)雜，因此很難用ASIC實(shí)現(xiàn)。
跟蹤細(xì)調(diào)
??? 捕獲過程中建立了對(duì)GPS信號(hào)的頻率和碼相位參數(shù)的粗校準(zhǔn)，而跟蹤的目的是進(jìn)行細(xì)調(diào)，以便系統(tǒng)能對(duì)具有精確的碼相位和頻率信息的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)。跟蹤包括碼相位跟蹤和載波頻率跟蹤。碼相位跟蹤采用延時(shí)鎖定環(huán)(DLL)實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。
?
????DLL電路將輸入信號(hào)與PRN碼的三個(gè)本地復(fù)制碼(時(shí)間間隔為±0.5碼片)相乘，這三個(gè)復(fù)制碼分別表示相對(duì)于輸入信號(hào)提前、準(zhǔn)時(shí)和落后到達(dá)。經(jīng)過綜合后，這些信號(hào)分別代表輸入信號(hào)和本地復(fù)制碼之間的相關(guān)性，具有最高相關(guān)值的信號(hào)被選中并保留下來(圖7)。載波頻率跟蹤由鎖相環(huán)(PLL)或者Costas環(huán)路完成，載波跟蹤的目的是把本地生成的頻率調(diào)節(jié)至輸入信號(hào)的實(shí)際頻率。
?
?? ?當(dāng)捕獲和跟蹤過程建立起初始同步后，系統(tǒng)就能夠進(jìn)行導(dǎo)航位解碼。數(shù)據(jù)解調(diào)首先將1.023Mb/s的輸入信號(hào)解擴(kuò)為1 000b/s的比特流，然后利用位同步從1 000b/s的數(shù)據(jù)流中恢復(fù)出50b/s的信息。位同步過程中，首先要及時(shí)識(shí)別出位的起始位置。這可以通過尋找代表位的起始位置的零交叉沿(位于0V處)來實(shí)現(xiàn)。交叉沿已知后，則可以用20ms的間隔分割1000b/s輸入流，因?yàn)閷?dǎo)航數(shù)據(jù)信息(50位)的持續(xù)時(shí)間為20ms。最后，將以20ms間隔排列的位取樣結(jié)果進(jìn)行累加并取平均值，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)解碼。
??? PC上運(yùn)行的軟件能夠?qū)⒐P記本電腦變成功能強(qiáng)大的定位裝置，可以支持導(dǎo)航和大量基于定位的服務(wù)。GPS前端通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)USB2.0接口把數(shù)字化的中頻數(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(jì)算出位置方位并隨后執(zhí)行跟蹤過程。(NXP Software是可選的一個(gè)軟件來源。欲了解更多信息，請(qǐng)?jiān)L問www.software.nxp.com或www.swgps.com)。
??? 為提供通用接口，軟件可以創(chuàng)建一個(gè)虛擬COM端口，使其可以連接到很多現(xiàn)有的導(dǎo)航和定位應(yīng)用中。大部分GPS軟件包的接口符合NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)，通常都可以在Microsoft的 Windows XP和Vista操作系統(tǒng)上運(yùn)行。另外，軟件還應(yīng)能夠處理從工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議或者用戶專有的接口獲得的所有輔助數(shù)據(jù)。軟件運(yùn)行在1GHz Pentium M系統(tǒng)中時(shí)，跟蹤過程中處理器平均負(fù)載約為6%；軟件運(yùn)行在2.18GHz Pentium Core Duo處理器上，在執(zhí)行每秒更新時(shí)，處理器負(fù)載通常低于5%。隨著算法的發(fā)展，CPU的使用率有可能降低到2%以下。
????軟件GPS技術(shù)為很多潛在的應(yīng)用提供了高度的靈活性和簡(jiǎn)易性。為支持這些潛在應(yīng)用，MAX2769射頻前端為軟件GPS接收機(jī)和傳統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方法提供了靈活的頻率規(guī)劃。當(dāng)然，每種方案都有其優(yōu)缺點(diǎn)——軟件GPS接收機(jī)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，通過合理選擇時(shí)鐘及數(shù)據(jù)更新速率，可以使內(nèi)存的使用率最小化。
參考文獻(xiàn)
[1] KAPLAN E.Understanding GPS：Principles and Applications.2nd ed.Artech House Publishers，1996.
[2] J.Bao-Yen Tsui.Fundamentals of?Global Positioning System Receivers：A Software Approach.2nd ed.John
???? Wiley & Sons Inc.，2004.
[3] VITERBI A.Principles of Spread?Spectrum Communications.Addison?Wesley Longman Publishing Co.，Inc.，1995.
[4] GOLD R，Co-optimal binary sequences?for spread spectrum multiplexing，IEEE Transactions on Information
???? Theory.Vol.IT-13.1967(10)：619-621.
[5] ZIEMER R E，PETERSON R L.Digital Communications and Spread?Spectrum Systems.New York：Macmillan Publishing Company，1985.
[6] PROAKIS J G.Digital Communications.4th ed.Mc-Graw Hill College，2000.