基于GP2015的GPS射频前端电路ADS优化设计*

阴欢欢

0 引言

GPS接收机是用户接收GPS信号的主要工具，GPS接收机射频前端是GPS接收机的基础［1］。整个GPS接收机的后续信号处理的效果取决于射频前端电路性能的好坏，射频前端对接收灵敏度具有直接决定作用［2］。因此对GPS接收机射频前端展开研究和设计，使其满足后级的需求是具有重要的意义。

GPS射频前端主要功能是对从GPS接收天线接收到的微弱的GPS信号、进行一系列放大、下变频和滤波等，使中频输出满足后端相关电路正常工作的需要［3］。电路主要由低噪声放大器(LNA，Low－Noise Amplifier)、混频器、滤波器、锁相环频率合成器、中频放大器等器件组成。

本文从三种典型的射频前端结构中选择了较易实现的超外差结构，并以GP2015为核心，采用多次优化滤波，经过电路仿真和可行性验证之后，设计出了一种射频前端电路，为GPS接收机的射频信号接收提供了一种解决方案，并大大地提高了接收机的抗干扰能力。

1 系统总体设计

本系统采用“超外差”结构三级混频设计，其电路原理框图［4］如图1所示。GPS接收机天线不仅接收到卫星信号同时也接收到周围的环境噪声，首先将包含噪声的GPS信号，经过前置射频滤波器，保留GPS信号，滤掉带外不需要的噪声信号;其次将滤波以后的GPS信号送入低噪声放大器进行放大，该放大器尽可能地放大信号，同时引入的噪声尽可能小，也就是要求噪声系数尽可能小。将低噪声放大器输出的信号送入三级混频器，三级混频器的本振［5］依次为锁相环提供1 400 MHz、140 MHz和31．111 MHz的振荡信号，GPS信号第一级混频器下混频的输出作为第二级混频器的输入，第二级混频器的下混频的输出作为第三级混频的输入，混频输出由外置滤波器进行选频，三级混频输出的各级中心频率依次为175．42 MHz、35．42 MHz和4．309 MHz的信号。锁相环的参考时钟为本地10 MHz晶振信号。

图1 射频前端结构设计Fig．1 Design of RF front－ end structure

1． 1 电路结构的选择

GPS射频前端电路有三种典型的结构，分别为:超外差式结构(Super－Heterodyne Architecture)、直接下变频式结构(Direct－Conversion－Architecture)和低中频变频式结构(Low－IF－Architecture)［6］。这三种结构各有优缺点，下面介绍三种射频前端的结构。

1．1．1 超外差式结构

超外差式射频前端通过多次下变频，将射频频点转换到较低的频点上，此时只需要低Q值的滤波器即可完成信号选择。超外差式射频前端信号选择性好，可以完成微弱信号在强干扰背景下提取，但每次下变频会产生镜像信号，导致中频信号恶化，因此每次混频前要求镜频抑制。由于单级镜频抑制能力有限，因此常将超外差式射频前端设计成多级混频满足镜频抑制能力要求。

多级混频具有以下优点:

1)减小高频有源滤波器的Q值，有利于系统的实现。

2)避免一次混频的不稳定性，将射频信号变到中频处理，降低难度。

3)镜像抑制较一次混频能力强。

1．1．2 零中频结构

零中频结构直接将射频信号下变频到基带［6］，由于镜像信号也是信号本身，信号的上下边带叠加在一起，不可分离;由于上下边带不完全一致，需要正交混频实现IQ两路混频输出。零中频接收机的特点是:

1)要求正交的本振信号达到对镜像信号的抑制，需要IQ正交两路。

2)无需高Q值的射频或者中频带通滤波器，避免了外差式射频前端的主要缺点。

3)IQ混频后的所需低通滤波器容易实现。4)A/D转换器在基带频率范围内采样，要求较低。综上所述，零中频射频外接元件少，功耗低，易于集成，但零中频结构也带来了一些新的问题，主要有:

1)直流偏移(DC Offset)

由于混频器各个端口有限的通道隔离能力，本振信号会泄漏到混频器的射频输入口，从而与本振信号进行混频，输出产生直流分量。由于输入射频信号较小，该直流分量就会掩盖混频输出信号，导致后级无法工作。

2)正交失配(I/Q Mismatch)

混频器端要求本振信号相位正交，幅度相同，因此正交性能差的相位和幅度会严重影响基带信号的数据判决，从而增加系统的误码率性能，尤其高频时更为严重。

1．1．3 低中频结构

低中频接收机与零中频接收机类似，通过正交下变频来完成镜像信号抑制，将信号下变到较低中频处。由于不是下变频到基带，因此直流失调就可以大大减小。混频器端口不匹配和本振信号的相位非正交性和幅度不平衡性是抑制镜像信号能力减弱的主要原因，此时需要加入其他元件来增强抑制。同时镜像信号的正频率分量也出现在低中频上，与有用信号组成“一对”信号，对应频谱上的一对正负频率，因此，还需要在低中频上消除这个对称信号。

综上所述，可以得出射频前端结构选择的基本准则如下:零中频和低中频结构要求的射频元件少，结构简单。零中频结构无需抑制镜像信号，但存在直流漂移和正交失配问题，适合基带信号的工作带宽较宽的情况。低中频无直流漂移问题，但镜像抑制能力差受限于I/Q的幅度和相位不匹配。外差式虽然电路复杂，但是无直流漂移问题，镜像抑制能力强，工作稳定，可以满足高指标的单片集成，因此采用外差式结构是可行的。

1． 2 电路仿真

利用ADS2008软件工具为该超外差式设计进行系统建模［7］，如图2所示。

图2 系统建模Fig．2 System modeling

接收机的频带选择性仿真如图3所示。从图3中可以看出，接收机在射频滤波器中心频率处有37．318 dB的最大增益(LNA的增益减去微波带通滤波器的插入损耗)。在偏离中心频率70 MHz处有80 dB左右的衰减。在接收机射频前端通带内波动不超过0．2 dB。

图3 频带选择性仿真结果Fig．3 Frequency selective simulation results

接收机系统增益仿真结果如图4所示。此增益预算仿真在交流分析中进行，通过这个仿真，可以得出系统总增益在各个模块中的分配情况。

图4 系统增益仿真结果Fig．4 System gain simulation results

接收机下变频输出如图5所示。

图5 下变频仿真结果Fig．5 Down － conversion simulation results

图5展示了通过谐波平衡仿真演示接收机的下变频如何将射频信号的频谱搬移到低中频输出，射频输入信号的载频为1 575．42 MHz被依次搬移到了175．42 MHz、35．42 MHz、4．309 MHz的中频，并且信号得到了大约136 dB的增益。

1． 3 滤波器设计

由于在GPS信号工作频带内存在移动电话信号、电视发射信号和寻呼机信号等干扰信号，甚至其它发射机的镜像频率也存在GPS工作的频率范围内，因此射频前端芯片需要多次优化滤波，尽可能提高接收机抗干扰能力，除了接收必要的GPS信号外，尽可能抑制带外干扰和噪声能量使系统免受其干扰。举例来说，仅比GPS载波频率低数百兆赫兹的空控雷达发出的强脉冲信号就会给GPS接收机造成极大干扰，使其无法工作。因此射频前端的多次滤波，输出中频的各频点进行滤波，可以提高接收机的灵敏度。

1． 4 混频器设计

混频器在这个电路作用是实现频率变换，也就是射频信号的下变频。下变频转换是通过把GPS信号与频率合成器产生的正弦信号相混频完成的。在中心频率的所有调制的信号信息都被转移到中频信号上。第一级射频信号输入与锁相频率合成器合成的1 400 MHz的本地振荡信号混频，输出经外接175．42 MHz滤波器滤波后，得到带外抑制的175．42 MHz的混频信号。第二级混频器将140 MHz的本地振荡信号与第一级输出的175．42 MHz的混频信号进行再次混频得到35．42 MHz的混频信号，经滤波后输出所需中心频率为4．309 MHz的中频信号。

1． 5 锁相环频率合成部分的设计

锁相合成器的参考信号为10 MHz晶振信号，由锁相环合成1 400 MHz信号，然后10、45分频得到140 MHz和31．111 MHz的本振。

由于射频前端电路中，输出信号稳定与否与混频器的性能，尤其是锁相环频率合成器的稳定度有很大的关联。为了使锁相环输出更加稳定，使用温度补偿晶振TCXO。

2 PCB板设计

为了降低成本及简化设计，本系统采用双层板来完成。信号的中心频率为1 575．42 MHz，对应的波长为0．19 m，与电路元件的尺寸相差不大。射频信号走线采用微带线形式，由于频率比较高，需采用分布式参数模型，因此，要先对微带线的阻抗特性进行计算。

2． 1 微带线的计算

微带线是一根带状导线，由位于接地层上由电介质隔开的印制导线组成。特性阻抗［8］由其厚度、宽度、微带线与地层的距离以及电介质的介电常数共同决定。

本系统电路采用罗杰斯公司的ROGer4350B型高频板材，它的介电常数εr=3．48。介质厚度H=20 mil，铜箔厚度 T=35 um=1．38 mil。利用 Agilent公司的EDA软件AppCAD软件计算微带线的宽度，输入参数即可，可以大大减少设计难度和开发周期。AppCAD简单易用，计算简单快速，适合很多的射频、微波和无线设计应用中的工程计算，是独特的射频设计工具软件。

板材工作频率1 575．42 MHz，特性阻抗为50Ω，覆铜间距为75毫英寸，微带线的宽度为49．35毫英寸，如图6所示。因此电路板中GPS信号的传输导线线宽设定为49．35毫英寸。在此线宽下，射频信号没有反射波。

图6 GPS信号线宽计算Fig．6 Line width calculation of GPSsignal

3 电路测试

最终的主要电路如图7所示，主要对信号输出幅度测试，镜像抑制测试和GPS L1信号接收测试。测试仪器主要有:ROHDE＆＆SCHWARZ频谱分析仪和AV1485射频合成信号发生器。设置频谱仪最大参考电平为10 dBm，RBW和VBW均为100 kHz。

图7 GP2015主电路设计Fig．7 Design of GP2015 main circuit

3． 1 信号输出幅度测试

给待测板加上电源，将信号发生器产生的1 575．42 MHz、功率为 －80 dBm信号通过 GPS射频前端，稳定后将GPS抗干扰射频前端的中频输出信号输入频谱分析仪，设置观察带宽4 MHz，如图8所示。

图8 GPS射频前端点弦输入中频信号输出Fig．8 GPSRF front－ end points string input frequency signal output

从图8可知，GPS射频前端有效地将点弦信号进行了下变频和放大，放大倍数达76．7 dB，信号输出功率达到－3．3 dBm，远远地大于基底噪声。

3． 2 镜像抑制能力测试

当输入信号镜像频率为1 224．58 MHz、功率为－80 dBm时，频谱仪设置保持不变，中频信号输出为图9所示。

图9 1 224．58 MHz信号输入中频输出Fig．9 1 224．58 MHz signal input frequency output

从图8和图9可知，通过与基底噪声的比较，GPS射频前端对镜像抑制达到37 dB。并且镜像信号的中频输出与基底噪声能量相当，可知镜像信号抑制能力强。

3． 3 GPS L1 信号测试

接入 GPS L1天线，频谱仪观察带宽从1～8 MHz，中频信号输出为图10所示。从图中可知，信号输出带宽大于2．048 MHz，阻带带宽不超过4．8 MHz，射频前端有效地将GPS天线接收到的宽带射频信号进行了放大。

图10 GPSL1信号输入中频输出Fig．10 GPSL1 input signal to intermediate frequency output

4 结语

本文为GPS接收机设计一个GPS射频前端，用以接收从天线进来的GPS L1卫星信号。GPS信号依次经过低噪放大、滤波、三级下变频、中频放大，最终变为可供后级数字信号处理的信号。

根据测试结果可以看出，该系统成功实现了射频信号的接收及下变频，且输出信号幅度达到－3．3 dBm，镜像抑制能达到37 dB，可以直接给下级的信号处理模块使用。由于处理的为射频信号，频率比较高，因此，PCB设计是最为关键的一步。在PCB的设计当中，应注意到以下问题［9］:①地线应尽量短且粗，就近接地或直接覆铜，以减小电阻和电感;②射频信号走线尽量短且直;③电源线尽量远离信号线，且每个模块的电源都要去耦;④尽量减少过孔数;⑤电感尽量不平行靠在一起，以避免形成“空心变压器”;⑥阻抗匹配减少信号反射而增加损耗，包括输入输出阻抗、传输线特性阻抗等。

［1］ Mohinder s．Global Navigation Satellite Systems［J］．Wiley Interdisciplinary Reviews．2011(8):10 －12．

［2］ Anna Miskiewicz，Andreas Holm，Robert Weigel．RF Front－End System Design for Locatin Based Services Applications［J］．Uinversity of Erlan － gen Nuremberg:Germany．2009(6):20 －22．

［3］ Jun Wu，Peichen Jiang etc．A Dual－ Band GNSS RF Front With a Pseudo － Differential LNA［J］．IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS，MARCH 2011(5):34－36．

［4］ GP2015 datasheet．GPS Receiver RF Front End．zarlink semiconductor［Z］．2007:1 － 24．

［5］ 孙健兴，郑建生，岳志刚．基于Si4133的GPS八路本振一致性设计［J］．通信技术，2012，45(09):140 －142．

SUN Jian － xing，ZHENG Jiansheng，YUE Zhigang．Consistency Design for GPS Eight Local Oscillators based on Si4133［J］．Communications Technology，2012，45(9):140－142．

［6］ 李智群，王志功．零中频射频接收机技术［J］．通信与计算机:电子产品世界，2004(07):69－71．

LI Zhi－ qun，WANGZhi－gong．Zero IF Receiver Technology［J］．Communication with the computer:Electronic products in the world，2004(7):69－71．

［7］ 徐兴福．ADS2008射频电路设计与仿真实例［M］．北京:电子工业出版社，2009:82－85．

XU Xing－fu．ADS2008 RF Circuit Design and Simulation of［M］．Beijing:Electronic Industry Press．2009:82 －85．

［8］ Reinhold ludwig，Pavel Bretchko．射频电路设计—理论与应用［M］．王子宇，王心悦译．北京:电子工业出版社，2010:134－175．

Reinhold ludwig，Pavel Bretchko．RF circuit design theory and Application［M］．Beijing:Publishing House of electronics industry．2010，9:134 －175．

［9］ 何媛，王积勤．射频电路PCB设计中应注意的有关问题［J］．电力系统通信，2003(06):50 －52．

HE Yuan，WANG Ji－ Qin．The Relevant Problems That Should be Paid Attention to in the Design of RFCircuit PCB［J］．Power System Communication，2003(6):50 －52．