MRFIC1502在GPS接收器中的应用

摘要：首先，介绍全球定位系统（GPS）接收器的结构和摩托罗拉公司生产的射频降频变换器MRFIC1502，给出用MRFIC1502设计GPS接收器的硬件连接图。然后，分析该接收器的射频输入，中频滤波、锁相回路和采样时钟等部分的工作原理，指出印制电路板设计中要注意的问题。 关键词：降频变换器 MRFIC1502 GPS 接收器 引言 全球定位系统（GPS）的空间部分使用由24颗高度约2.02万km的卫星组成的卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11h58min(11时58分)，分布在6个轨道面上（每轨道面4颗），轨道倾角为55%26;#176;。卫星的分布使得在全球的任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP），在时间上提供了连续的全球导般能力。每颗卫星不断地用两个L波段（390～1550MHz）广播导航信息。这两个L波段分别是频率为1574.42MHz的链接1（L1）和频率为1227.6MHz的链接2（L2）。C/A码（Coarse Acquistion Code）和P码（Precise Code）在L1上广播，加密码（encrypted code）只在L2上广播。摩托罗拉的射频降频变换器MRFIC1502是为了接收L1上的C/A码而设计的。本文主要论述在GPS接收器中，MRFIC1502作为降频变换器的用法。 1 GPS接收器的结构 L1上的C/A码必须以一定的功率增益广播，以保证在用户接收设备上最小功率为-160dBW(分贝瓦)的要求。1575.42MHz的载波通过调制，含有C/A码和P码。此外，导航数据流用双相移键控制方式通过载波传送，数据速率为50bps。C/A码的带宽为2.046MHz(%26;#177;1.023MHz)，P码的带宽为20.46MHz（%26;#177;10.23MHz）。 GPS技术声明中规定，晴天时，接收器天线接收到的功率增益大于-130dBW。任何障碍物，如树林或建筑物，都会使信号减弱，因此，建议在考虑系统灵敏度时，至少给系统留5.0～7.0dB的余量。解调方案也会对整个接收器的灵敏度产生影响，在系统设计时也要充分考虑这点。 图1 典型的GPS接收器结构如图1所示。信号送给MRFIC1502前，经过放大和两次滤波。下文将讨论GPS接收器的各个功能部分。 低噪声放大器是GPS射频接收器中最重要的部分。这个放大器基本上可以决定整个接收器的噪声大小，因此，是接收器灵敏度的直接决定因素。低噪声放大器推荐用MRFIC1501实现。5V供电时，MRFIC1501工作电流为7.0mA，功率每增加17dB，噪声信号增加1.5dB。 图1所示的第二个滤波器是个普通滤波器，必须满足每增加15dB的信号增益，噪声增加不能大于3.0dB；两个陶瓷滤波器为KFF6338，也是摩托罗拉的产品。由于噪声系统每增加1.0dB，接收器的灵敏度就大约减少1.0dB，所以，在进行设计时，应该充分考虑滤波器和低噪声放大器的选型。 陶瓷滤波器的选择对GPS接收器的性能有直接影响，选择不好，干扰信号会很大。干扰信号对接收器的影响有两方面：第一，如果带外滤波不充分，干扰信号可能会引起低噪声放大器或降频变换器非线性工作，这会造成不真实输出或加大接收器的噪声系数；第二，如果解调器的干扰信号过大，则接收器处理的信号不真实，不能输出定位信息。 2 MRFIC1502介绍 MRFIC1502的模块结构与引脚布置如图2所示，芯片为四边扁平封装（TQFP），共48个引脚。MRFIC1502为标准的双降频变换，可以配置为固定频率的锁相环（phase-locked loop）来产生两个本地振荡器和缓冲器，为数字相关器和多路器提供采样时钟。片内也合成了L波段航行振荡所用的活性元件。该芯片使用了摩托罗拉第三代氧化物自排列集成电路的硅双极加工技术。芯片的典型应用电路由下文给出。 3 GPS接收器的实现 GPS接收器的MRFIC1502部分如图3所示。 图2 （1）射频输入 MRFIC1502片内有50Ω的电阻与射频输入信号匹配。输入放大器的噪声系统大约为4.5dB，增益为13dB。放大器的输出直接送给一级混频器。混频器提供7.0dB的转换增益，其输出送给片外的滤波器。输入放大器和混频器的噪声系统累加到9.5dB。 放大器与混频器由独立的VCC供电（42引脚），以减小与其它电路之间的耦合。在外部电路设计和印制电路板时，必须注意这点。一般，用两个旁路电容与42引脚相连，一个用于过滤高频元件的干扰信号，另一个用于过滤低频元件的干扰信号。这两个电容应尽量靠近42引脚，以减小线路的感应系数；同理，这两个电容的另一端应尽量靠近地。设计中，如果注意到上述问题，放大器的工作会很稳定；反之，射频输入可能会很不稳定。 （2）一级中频滤波器 一级中频滤波器的主要作用是过滤混频器混频过程中掺入的无用信号。一级混频器的输出阻抗为50Ω，而一级中频放大器的输入阻抗为1000Ω。本应用中的中频滤波器的输入阻抗为50Ω，输出阻抗为200Ω，并且其频宽为15MHz。MRFIC1502片内电平变换器输出的是TTL电平信号，设计中也应考虑到电平问题。 （3）锁相环设计 压控振荡器（VCO）的信号为1527.68MHz，其通过40分频后得到38.19MHz的二极本振频率。二级本振信号除了为二级混频器提供本振信号之外，其通过转换器输出38MHz的信号，作为数字相关器和多路器的采样时钟。38.19MHz经过2分频，得到19.096的频率信号，这个信号一般用于相位检测。相位检测器的参考输入（18引脚）一般最小为400mV，最大为2.5mV。MRFIC1502的相位检测器是基于MC12040设计的，但在低耗等方面做了一些改进。 （4）采样时钟输出 压控振荡器的信号经过40分频后，再经过时钟转换器，把正弦波变为TTL方波。TTL电平信号用作数字相关器和多路器的采样时钟，同时，也为片内的其它部分提供内部时钟。由于转换器的工作频率为高频率38MHz，输出为方波，所以波形比较尖。输出端用1000Ω的电阻和40pF电容并联时，其最大瞬间电流可能会达到50mA。因此，转换器由独立的VCC引脚（28引脚）供电，电阻和电容的接法如图3所示。 图3 （5）PCB布局规则 在PCB布局时，旁路电阻应尽量靠近芯片引脚。某些重要元件可以布置在MRFIC1502的背面，使得MRFIC1502到这些元件的路径尽量短。压控振荡器可能会与阻抗引起共振，在PCB布局时也必须考虑到这一点。L频段的输入和转换器之间如果靠近太近，也可能会产生电流耦合。在应用中，如果产生这种耦合，接收器会变得对干扰信号非常敏感。为了减小这种耦合，可采用带状线结构，而不采用微波传输带结构。 4 总结 本文描述了应用MRFIC1502进行GPS接收器设计的方法。文中给出的外围电路适合多路不同应用场合。关于MRFIC1502芯片的资料，读者可以登录摩托罗拉的网站获得随着GPS的发展，GPS接收器的应用将越来越广泛。由于各大公司提供的降频变换芯片的集成度越来越高，GPS接收器的设计也应该会变得越来越简单。