GPS 是英文Global Positioning System（定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱，而其中文簡(jiǎn)稱為"球位系".GPS是20世紀(jì)70年代由美國(guó)陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) .其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、 全天候和性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的經(jīng)過(guò)20余年的研究實(shí)驗(yàn)，耗資300億美元，到1994年3月，覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。在機(jī)械領(lǐng)域GPS則有另外一種含義：產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（Geometrical Product Specifications）-簡(jiǎn)稱GPS.隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，以ARM為代表的32位微處理器憑借其高性能、低功耗、低成本、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

本文介紹了一種GPS接收機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案，該方案采用Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600和ATR0620芯片。其中ATR0600芯片作為接收機(jī)的射頻前端，內(nèi)嵌ARM7TDMI處理器核的ATR0620芯片作為接收機(jī)的數(shù)字基帶處理器。該方案具有低功耗、高性能、尺寸小、成本低的特點(diǎn)。

　　1  GPS接收機(jī)的基本組成

GPS接收機(jī)是可以接收定位系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)以確定地面空間位置的儀器。GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無(wú)數(shù)用戶共享的信息資源。對(duì)于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的接收設(shè)備，即GPS信號(hào)接收機(jī)。GPS接收機(jī)的使用要在開闊的可見天空下，所以，屋里就不能用了。手持GPS的一般是誤差在10米左右，就是說(shuō)一條路能看出走左邊還是右邊。主要依賴于衛(wèi)星的信號(hào)接收，和可接收信號(hào)的衛(wèi)星在天空的分布情況，如果幾顆衛(wèi)星分布的比較分散，GPS接收機(jī)提供的定位就會(huì)比較高。

GPS接收機(jī)的主要任務(wù)是跟蹤可見GPS衛(wèi)星，對(duì)接收到的衛(wèi)星無(wú)線電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后獲得定位所需的測(cè)量值和導(dǎo)航信息，完成對(duì)用戶的定位運(yùn)算和可能的導(dǎo)航任務(wù)。GPS接收機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)沿其工作流程的先后順序，通常分為射頻（RF）前端處理、基帶數(shù)字信號(hào)處理（DSP）和定位導(dǎo)航運(yùn)算三大功能模塊。

　　2  GPS接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

衛(wèi)星信號(hào)由天線接收，直接進(jìn)入射頻前端。射頻前端具有變頻作用，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)。中頻信號(hào)經(jīng)采樣信號(hào)采樣、量化后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)。數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)入基帶數(shù)字處理器，基帶數(shù)字處理器完成衛(wèi)星信號(hào)的處理后，解調(diào)出導(dǎo)航電文，進(jìn)行相應(yīng)的處理后給出所需的定位信息或提供特定的應(yīng)用服務(wù)。

　　2.1  接收天線

接收天線是GPS接收機(jī)處理衛(wèi)星信號(hào)的器件，它將接收到的GPS衛(wèi)星所發(fā)射的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號(hào)，以供接收機(jī)射頻前端攝取與處理。因?yàn)镚PS接收機(jī)賴以定位的信息基本上全部來(lái)自于天線接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào)，所以接收天線的性能直接影響著整個(gè)接收機(jī)的定位性能，它對(duì)接收機(jī)所起的作用與貢獻(xiàn)不容忽視。

對(duì)GPS接收機(jī)天線的主要技術(shù)要求是：接收頻率為1575.42MHz的L1信號(hào)；為了與接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào)的極化方式相匹配，從而提高接收效率，接收天線以右旋圓極化的方式工作；強(qiáng)度微弱的GPS衛(wèi)星信號(hào)應(yīng)當(dāng)盡可能地先在緊靠天線的一端得到功率放大，以改善整個(gè)接收系統(tǒng)的噪聲性能，接收機(jī)采用內(nèi)置低噪聲放大器（LAN）的有源天線；電線饋線的阻抗為50 .綜上所述，本文采用靈敏度高的豎直形狀的四螺旋天線，且在工作時(shí)將天線采用外置的形式。

　　2.2  基于ATR0600的射頻前端電路設(shè)計(jì)

射頻（RF）前端模塊位于接收機(jī)天線與基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊之間，它通過(guò)天線接收所有可見GPS衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)前置濾波器和前置放大器的濾波放大后，再與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的正弦波本振信號(hào)進(jìn)行混頻而下變頻成中頻（IF）信號(hào)，經(jīng)模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器將中頻信號(hào)離散成包含GPS信號(hào)成分的、頻率較低的數(shù)字中頻信號(hào)，并在此過(guò)程中進(jìn)行必要的濾波和增益控制。

本設(shè)計(jì)中射頻前端主要由Atmel公司生產(chǎn)的ATR0600芯片及外圍濾波電路構(gòu)成，它是一個(gè)GPS接收機(jī)射頻前端IC芯片，采用單IF結(jié)構(gòu)，芯片上包含有混頻器、IF放大器、2bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、晶體振蕩器等電路，芯片具有極高的集成度，很小的功耗（約50w）。

ATR0600通過(guò)外部的天線接收1575.42MHz的L1 GPS信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器LNA進(jìn)行第1級(jí)濾波、放大后，被外部SAW濾波器進(jìn)行鏡像抑制和對(duì)1800MHz GSM頻帶信號(hào)進(jìn)行隔離。該信號(hào)與基準(zhǔn)頻率為23.104 MHz的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，混頻器將GPS信號(hào)下變頻到97.76MHz中頻。混頻后，該信號(hào)經(jīng)過(guò)LC帶通濾波器和可變益放大器（VGA），與片上集成的中頻帶通濾波器組合，完成對(duì)GSM干擾信號(hào)的濾波。VGA輸出驅(qū)動(dòng)集成的1.5bitA/D轉(zhuǎn)換器，將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成4.35MHz的數(shù)字中頻信號(hào)。 

　　2.3  基于ATR0620的基帶處理器電路

基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊是GPS接收機(jī)的部分，它通過(guò)處理射頻前端所輸出的數(shù)字中頻信號(hào)，復(fù)制出與接收到的衛(wèi)星信號(hào)相一致的本地載波和本地偽碼信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)的捕獲與跟蹤，并且從中獲得GPS偽距和載波相位等測(cè)量值以及解調(diào)出導(dǎo)航電文。

數(shù)字基帶信號(hào)，是信源發(fā)出的、未經(jīng)調(diào)制或頻譜變換、直接在有效頻帶與信號(hào)頻譜相對(duì)應(yīng)的信道上傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，是消息代碼的電波形，是用不同的電平來(lái)或脈沖來(lái)表示相應(yīng)的消息代碼。數(shù)字基帶信號(hào)的類型很多，常見的有矩形脈沖，三角波、高斯脈沖和升余弦脈沖等。常用的是矩形脈沖，因?yàn)榫匦蚊}沖易于形成和變換。

基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊通常是硬件與軟件相結(jié)合的有機(jī)體，其中載波解調(diào)和C/A碼解擴(kuò)通常是由ASIC硬件形式的數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)完成的，而在微處理器中運(yùn)行的跟蹤環(huán)路控制軟件通過(guò)計(jì)算來(lái)調(diào)節(jié)數(shù)字信號(hào)處理器的各種操作。由Atmel公司生產(chǎn)的ATR0620芯片包含有一個(gè)基于ARM7TDMI處理核的16通道相關(guān)器，它具有高性能的32bit RISC結(jié)構(gòu)，使用16bit指令系統(tǒng)，能利用ARM7TDMI微控制器核與片上RAM,完成GPS16通道相關(guān)器和外圍設(shè)備接口功能；利用芯片內(nèi)部大量的功能寄存器可以滿足實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。

　　2.4 GPS接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)

ATR0600射頻前端為ATR0620提供衛(wèi)星信號(hào)，主時(shí)鐘信號(hào)和其它一些控制信號(hào)，而ATR0620為ATR0600提供采樣信號(hào)。

　　2.5 存儲(chǔ)模塊及通信接口

選用Cypress公司生產(chǎn)的CY7C1041,由片選信號(hào)NSCS[I]選通來(lái)擴(kuò)展SRAM,容量為4 Mb.FLASH則選用ST公司的4Mb容量的SST39VF400芯片，由片選信號(hào)NSCS[0]選通。

接收機(jī)中設(shè)計(jì)了兩種通信接口：一種是JTAG調(diào)試接口，連接JTAG仿真器進(jìn)行開發(fā)調(diào)試，用戶程序；另一種是RS232通信串口，用于與主機(jī)通信。

　　3  GPS接收機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

GPS的用戶設(shè)備主要由接收機(jī)硬件和處理軟件組成。用戶通過(guò)用戶設(shè)備接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理而獲得用戶位置、速度等信息，終達(dá)到利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。GPS接收機(jī)軟件的結(jié)構(gòu)。程序包含兩部分：匯編語(yǔ)言程序部分（用于引導(dǎo)和系統(tǒng)初始化）和C語(yǔ)言應(yīng)用程序（用于主要的導(dǎo)航定位計(jì)算）。軟件整體采用并行任務(wù)結(jié)構(gòu)，由相關(guān)器產(chǎn)生的累加數(shù)據(jù)IRQ中斷信號(hào)進(jìn)行任務(wù)切換的驅(qū)動(dòng)，在中斷服務(wù)程序中更新偽碼、載波和數(shù)據(jù)解調(diào)環(huán)路。

　　GPS接收機(jī)的應(yīng)用軟件根據(jù)不同的用途而不同，主要包括：數(shù)據(jù)采集與分析、衛(wèi)星位置計(jì)算、時(shí)間推算、差分定位和動(dòng)態(tài)定位等程序。本設(shè)計(jì)的GPS接收機(jī)上的程序主要在ARM- CLinux交叉編譯環(huán)境下用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫，通過(guò)ARM7 JTAG接口連接JAG仿真器進(jìn)行調(diào)試和移植。

　　4  結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的GPS接收機(jī)采用內(nèi)嵌ARM7核的GP4020芯片作為接收機(jī)的數(shù)字基帶處理器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，消除了以往微處理器的瓶頸效應(yīng)，具有體積小、功耗低、性能高的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)PCB板尺寸：75 mmх50 mm xl2 mm;通道數(shù)：16;功耗：小于0.1 W;首次定位時(shí)間：小于41 s（冷啟動(dòng)），小于2.5s（熱啟動(dòng)）；定位：3 m.