基于單芯片的ＧＰＳ接收機硬件設計

摘要： 給出了基于Hammerhead實現單芯片GPS接收機的硬件設計，給出射頻PCB設計方案。

關鍵詞：GPS接收機；Hammerhead；射頻

引言

GPS(全球定位系統)發展到今天，其用途越來越廣泛，而技術的進步和用戶需求也不斷推動GPS系統的增強。目前美國正在致力于GPSBlockⅡ系統的現代化和“GPS-Ⅲ”計劃，旨在全面改善GPS的生命力、精度、可用性、完好性、靈活性和安全性。

GPS用戶端設備也處于不斷升級和發展之中。從接收機的結構來看，隨著VLSI(超大規模集成電路)和DSP技術的發展，單通道序貫式、時分多路復用式接收機早已被采用DSP模塊的并行多通道接收機所代替，所能達到的通道數和等效相關器數不斷增加，集成度更高的內嵌MPU/MCU的GPS基帶處理器芯片成為主流，將射頻和數字處理集成在一起的單芯片接收機產品也已經問世。

本文介紹了一種單芯片GPS接收機的硬件設計。該方案采用Hammerhead芯片，該芯片集射頻與基帶GPS功能于一身，具有低功耗、高性能、尺寸小的特點。

Hammerhead

Hammerhead是一款由英飛凌科技公司和GlobalLocate公司合作開發的高集成度單片GPS接收機IC，片內集成了低噪聲放大器、混頻器、自動增益控制器、A/D、線性穩壓器、鎖相環、數字基帶。由于它的超大規模集成度，Hammerhead片外只需很少的元件即可構成一個GPS接收機，大大降低了元件成本以及PCB面積。Hammer-head使用大規模并行關聯技術來接收衛星以八個并行信道發射的信號，并將它們同32，000多個相關器中的參考碼進行比較。與車輛導航系統中常用的接收器相比，該技術可以大幅縮短首次定位時間，并可以顯著減少功耗。Hammerhead具有靈活結構的PLL，巧妙地使用了目前手機設計中采用的功能單元，如用于高精度參考時鐘頻率(10-40MHz)和實時時鐘頻率(32，768kHz)的晶振，支持在3G、GSM、CDMA電話中應用。片上的LNA允許連接無源的或者有源的天線到Hammerhead。標準的UART端口、SPI和FC接口，使其可以與任何一種目標系統進行連接。Hammerhead提供6種功耗模式，1分鐘只定位1次的情況下功耗可低至0.3mW。另外，除了具有傳統的GPS定位功能外，Hammerhead還支持A-GPS，LTO等工作模式，在室內、野外等GPS衛星信號極弱或者無法收到GPS信號的情況下也能定位。

GPS接受機硬件設計射頻前端

圖1和圖2分別是使用無源天線和有源天線時射頻前端的電路圖。

當使用低增益(10～15dB)的無源天線時，接收到的GPS信號需要經過濾波后送給Hammer-head的LNA，GlobalLocate推薦使用Epcos公司的B9000SAW濾波器。在LNA的輸入和輸出引腳需要匹配網絡，匹配阻抗為50Ω。同樣，LNA的輸出在送給混頻器之前也需要使用濾波器來抑制帶外信號，GlobalLocate推薦使用Epcos公司的B7840SAW濾波器，經該濾波器輸出的平衡差分信號對可以直接送給Hammedaead的混頻器差分輸入引腳。

如果使用高增益(25～30dB)的有源天線，無需使用內部LNA，直接將接收到的GPS信號經過B7840濾波后送給混頻器即可。因為需要給天線供電，因此在天線電源處采用了LC濾波(L1，C2)用來濾除由電源進入的高頻噪聲。C3用來隔直，防止直流偏置進入混頻器。另外要注意增加合適的衰減器，防止混頻器過載。假設混頻器輸入信號最高增益為18dB，天線接收器增益為28dB，天線線纜衰減1.4dB/m，長度為3m，可以增加一個T型電阻衰減網絡，其衰減系數＝28－18－3×1.4≈5dB。

參考時鐘

Hammerhead用到了兩種時鐘。一種是參考時鐘，范圍10～40MHz，可來自于外部系統的時鐘輸入，也可由一個獨立的時鐘IC產生。因為該時鐘提供給芯片內部的鎖相環、射頻模塊、數字基帶以及相關器等模塊，要求其時鐘偏移在2.5ppm以內，如果偏移太大，就不足以保證信號的跟蹤和鎖定。基于這樣的原因，推薦使用26MHz的TCXO，具體電路如圖3所示。其中Ll的作用是濾除電源噪聲對TCXO輸出信號的影響。

另一種時鐘是RTCCLK，用于低功耗模式下將Hammerhead喚醒。該時鐘大小要求為32.768KHz，可以用普通的有源晶振或者片外系統時鐘源產生。

電源設計

Hammerhead一共需要核心電壓(1.5v)、射頻電壓(1.8V)以及邏輯電壓(2.5V/2.8V/3.3V)三路電源，在芯片內部均有對應的線性穩壓器，可簡化電源設計。在設計電源電路時，可根據整個系統的電源使用情況、功耗要求以及Hammer-head的功率耗散來決定是否使用內部線性穩壓源以及使用多大的邏輯電平。另外要注意的幾點問題是：

每個電源輸入引腳必須至少有一個0.1uF陶瓷濾波電容；

核心電壓工作時要較大的瞬態電流，在該電源網絡上添加一個10uF的電容到地，以提供更好的電源響應，

注意區分模擬、數字電源，用磁珠對模擬、數字電源進行隔離。尤其是射頻部分對電源噪聲極其敏感，必要的情況下，可以單獨使用一個輸出1.8V的LDO給RF供電。

數字I/O

Hammerhead擁有三種串行接口：標準UART端口、FC端口以及SH端口。其中12C以及SPI端口的引腳與UART引腳復用，可以通過設WHammerheadll0MS[2：0]三個引腳的邏輯電平狀態來選擇使用哪一種接口。

PCB設計

由于含有射頻信號，GPS接收機的PCB設計相對中低頻信號的PCB板來說要困難得多，因此需要注意以下事項：

射頻信號走線盡量短、直，在同一層走線，不能走直角；盡可能的用鋪地銅皮將射頻信號隔離，防止其他信號與其之間產生串擾；平衡差分信號的路徑要保持平行，并且長度相仿，這樣可以加強二者之間的耦合而減弱與其他線之間的耦合。

26MHz參考時鐘信號的穩定性直接決定了GPS接收機的性能。布線時該信號要遠離以下信號：32.768KHz時鐘、數字信號、射頻信號；用鋪地銅皮將其包圍可以起到很好的隔離效果，允許的話可以在地層走線；PLL的匹配網絡應盡量靠近與其相連的引腳放置。

濾波電容應該盡量靠近相應的電源引腳放置；為了保證電源層的穩定，應盡量增大電源的鋪銅面積，減小鋪銅間距是一種有效的方法；使用盡可能多的接地過孔將頂層與底層的接地銅皮與電源分割層地層銅皮相連，可以保證地層銅皮足夠平穩，起到更好的隔離效果；模擬電源與數字電源要隔離，在兩者搭接處加入磁珠，防止互相干擾，連接電源和地的導線應盡量粗一些。

有資料表明，GPRS、CDMA等無線通信模塊的射頻信號以及LCD的第143次諧波都會對GPS接收機的工作產生影響，這些信號被稱為基帶噪聲。消除這些噪聲影響的最簡便方法，是使用一個金屬罩將射頻電路以及Hammerhead芯片屏蔽起來；另外，在TCXO外安裝一個屏蔽罩，可防止因氣流流動引起的溫度驟然變化而導致的TCXO輸出頻率偏移。

結語

基于Hammerhead的GPS接收機具有低成本、低功耗、性能優越的特點。高集成度使安裝在芯片以外的接收機部件極少，節約了相當大的印制板空間，降低了組件成本。加入內部LNA和PLL既降低了成本，又減少了整個系統的功耗。通過軟件可以選擇使用有源或者無源天線，還可以設置芯片工作在GPS、A-GPS、LTO等模式，非常適合在手機、PDA、便攜式設備等嵌入式領域中使用。目前，我們已經在一款野外勘探手持機中使用Hammerhead實現了GPS定位功能，其電路在PCB中的面積為25mm×20mm功耗小于0.1W；冷啟動時首次定位時間小于60s，熱啟動時小于10s；定位精度5m。