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MRFIC1502在GPS接收器中的應用
摘要：首先，介紹全球定位系統（GPS）接收器的結構和摩托羅拉公司生產的射頻降頻變換器MRFIC1502，給出用MRFIC1502設計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、鎖相回路和采樣時鐘等部分的工作原理，指出印制電路板設計中要注意的問題。引言
全球定位系統（GPS）的空間部分使用由24顆高度約2.02萬km的衛星組成的衛星星座。21 3顆衛星均為近圓形軌道，運行周期約為11h58min(11時58分)，分布在6個軌道面上（每軌道面4顆），軌道傾角為55°。衛星的分布使得在全球的任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP），在時間上提供了連續的全球導般能力。每顆衛星不斷地用兩個L波段（390～1550MHz）廣播導航信息。這兩個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碼而設計的。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接收器的結構
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備上最小功率為-160dBW(分貝瓦)的要求。1575.42MHz的載波通過調制，含有C/A碼和P碼。此外，導航數據流用雙相移鍵控制方式通過載波傳送，數據速率為50bps。C/A碼的帶寬為2.046MHz(±1.023MHz)，P碼的帶寬為20.46MHz（±10.23MHz）。
GPS技術聲明中規定，晴天時，接收器天線接收到的功率增益大于-130dBW。任何障礙物，如樹林或建筑物，都會使信號減弱，因此，建議在考慮系統靈敏度時，至少給系統留5.0～7.0dB的余量。解調方案也會對整個接收器的靈敏度產生影響，在系統設計時也要充分考慮這點。
圖1
典型的GPS接收器結構如圖1所示。信號送給MRFIC1502前，經過放大和兩次濾波。下文將討論GPS接收器的各個功能部分。
低噪聲放大器是GPS射頻接收器中最重要的部分。這個放大器基本上可以決定整個接收器的噪聲大小，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實現。5V供電時，MRFIC1501工作電流為7.0mA，功率每增加17dB，噪聲信號增加1.5dB。
圖1所示的第二個濾波器是個普通濾波器，必須滿足每增加15dB的信號增益，噪聲增加不能大于3.0dB；兩個陶瓷濾波器為KFF6338，也是摩托羅拉的產品。由于噪聲系統每增加1.0dB，接收器的靈敏度就大約減少1.0dB，所以，在進行設計時，應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GPS接收器的性能有直接影響，選擇不好，干擾信號會很大。干擾信號對接收器的影響有兩方面：第一，如果帶外濾波不充分，干擾信號可能會引起低噪聲放大器或降頻變換器非線性工作，這會造成不真實輸出或加大接收器的噪聲系數；第二，如果解調器的干擾信號過大，則接收器處理的信號不真實，不能輸出定位信息。
2 MRFIC1502介紹
MRFIC1502的模塊結構與引腳布置如圖2所示，芯片為四邊扁平封裝（TQFP），共48個引腳。MRFIC1502為標準的雙降頻變換，可以配置為固定頻率的鎖相環（phase-locked loop）來產生兩個本地振蕩器和緩沖器，為數字相關器和多路器提供采樣時鐘。片內也合成了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。芯片的典型應用電路由下文給出。
3 GPS接收器的實現
GPS接收器的MRFIC1502部分如圖3所示。
圖2
（1）射頻輸入
MRFIC1502片內有50Ω的電阻與射頻輸入信號匹配。輸入放大器的噪聲系統大約為4.5dB，增益為13dB。放大器的輸出直接送給一級混頻器。混頻器提供7.0dB的轉換增益，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累加到9.5dB。
放大器與混頻器由獨立的VCC供電（42引腳），以減小與其它電路之間的耦合。在外部電路設計和印制電路板時，必須注意這點。一般，用兩個旁路電容與42引腳相連，一個用于過濾高頻元件的干擾信號，另一個用于過濾低頻元件的干擾信號。這兩個電容應盡量靠近42引腳，以減小線路的感應系數；同理，這兩個電容的另一端應盡量靠近地。設計中，如果注意到上述問題，放大器的工作會很穩定；反之，射頻輸入可能會很不穩定。
（2）一級中頻濾波器
一級中頻濾波器的主要作用是過濾混頻器混頻過程中摻入的無用信號。一級混頻器的輸出阻抗為50Ω，而一級中頻放大器的輸入阻抗為1000Ω。本應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片內電平變換器輸出的是TTL電平信號，設計中也應考慮到電平問題。
（3）鎖相環設計
壓控振蕩器（VCO）的信號為1527.68MHz，其通過40分頻后得到38.19MHz的二極本振頻率。二級本振信號除了為二級混頻器提供本振信號之外，其通過轉換器輸出38MHz的信號，作為數字相關器和多路器的采樣時鐘。38.19MHz經過2分頻，得到19.096的頻率信號，這個信號一般用于相位檢測。相位檢測器的參考輸入（18引腳）一般最小為400mV，最大為2.5mV。MRFIC1502的相位檢測器是基于MC12040設計的，但在低耗等方面做了一些改進。
（4）采樣時鐘輸出
壓控振蕩器的信號經過40分頻后，再經過時鐘轉換器，把正弦波變為TTL方波。TTL電平信號用作數字相關器和多路器的采樣時鐘，同時，也為片內的其它部分提供內部時鐘。由于轉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電容并聯時，其最大瞬間電流可能會達到50mA。因此，轉換器由獨立的VCC引腳（28引腳）供電，電阻和電容的接法如圖3所示。
圖3
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