GPS接收机12通道相关器GP2021的原理与应用

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GPS接收机12通道相关器GP2021的原理与应用

摘要：GP2021是Zarlink半导体公司生产的12通道C／A码基带相关器，该芯片与大多数16位和32位微处理器兼容，可用于GPS卫星导航系统的接收机。文中介绍了GP2021的主要特点和工作原理，给出了GP2021的典型应用。    关键词：GPS；相关器；接收机；GP2021
１ ＧＰ２０２１的主要特点
ＧＰ２０２１是Ｚａｒｌｉｎｋ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司生产的１２通道Ｃ／Ａ码基带相关器，可用于ＮＡＶＳＴＡＲ ＧＰＳ卫星导航系统的接收机，并可与Ｚａｒｌｉｎｋ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ公司的ＧＰ２０１５和ＧＰ２０１０ Ｃ／Ａ码射频下变频器配合使用。
ＧＰ２０２１与大多数１６位和３２位的微处理器兼容，特别是Ｍｏｔｏｒｏｌａ和Ｉｎｔｅｌ公司的微处理器，此外，芯片上也有一些功能可支持ＡＲＭ６０ ３２位ＲＩＳＣ处理器，通过芯片内的存储器管理功能可用最少的外部逻辑芯片实现ＧＰＳ接收机。ＧＰ２０２１中每个相关器通道可以分别控制。因此，对于不需要１２个通道的系统工作模式，可以仅激活所需的相关器通道，从而降低功耗。此外，通过使用备用电池可把电源电压降低至２．２Ｖ，进一步降低接收机功耗。


图1

    ＧＰ２０２１的主要特点如下：
●１２个完全独立的相关器通道；
●具有双ＵＡＲＴ和实时时钟；
●与多数１６位和３２位微处理器兼容；
●具有低电压，低电流和低功率模式；
●典型功耗１５０ｍＷ；
●与ＧＰ２０１０和ＧＰ２０１５射频前端兼容；
●后备电池电压为２．２Ｖ（最小值）。
ＧＰ２０２１相关器可广泛用于ＧＰＳ导航系统、ＧＰＳ测量接收机和时间转发接收机中。
２ 工作原理
图１所示为ＧＰ２０２１的功能原理框图。ＧＰ２０２１相关器中集成有１２通道ＧＰＳ相关器，它的数字中频数据来自射频前端，控制功能由微处理器来实现。相关器内除了１２个通道相关器外，还有一些微处理器支持功能，包括双ＵＡＲＴ和实时时钟。ＧＰ２０２１可与ＡＲＭ处理器或其它形式的微处理器进行连接。
２． １ １２通道相关器
图２所示为ＧＰ２０２１中１２通道相关器的功能框图。可以看出，它内部由采样锁存器、时钟产生器、时基产生器、地址译码器、状态寄存器以及总线接口等组成。


图2

    采样锁存器可将来自射频前端的同步数据与内部ＳＡＭＰＣＬＫ时钟进行同步。在实模式下，下变频的卫星信号在前端输出并以ＳＡＭＰＣＬＫ采样。同时数据在ＳＡＭＰＣＬＫ的下一个上升沿重采样。此后这些信号再被分配到１２个跟踪模块。在复输入模式下，下变频卫星信号可直接应用到ＧＰ２０２１的ＳＩＧＮ０、ＭＡＧ０、ＳＩＧＮ１和 ＭＡＧ１输入，以分别作为同相路的符号和幅度，正交路的符号和幅度。这些信号以５．８３３ＭＨｚ在相关器内进行采样。
时钟产生器可把从射频前端得到的主时钟ＣＬＫ Ｔ／ＣＬＫ Ｉ进行６或７分频，以得到内部的多相位时钟组。与ＧＰ２０１５连接时，由于主时钟额定频率是４０ＭＨｚ，故应在内部进行７分频。工作于复输入模式下时则应进行６分频。与ＧＰ２０１５连接时，其ＳＡＭＰ-ＣＬＫ采样时钟为５．７１４ＭＨｚ。
时钟产生器的主要任务是产生ＭＩＣＲＯ ＣＬＫ微处理器的时钟信号，其频率为主时钟的一半。主要功能是作为ＡＲＭ系统模式时存储器控制逻辑的同步时钟。
时基产生器用于产生四个重要信号。其中ＡＣ-ＣＵＭ ＩＮＴ是累加器中断信号，用于控制相关器累加器和微处理器之间的数据传输，该信号可通过ＡＣＣＵＭ ＩＮＴ输出进行检测，也可通过读取ＡＣＣＵＭ ＳＴＡ-ＴＵＳ Ａ寄存器进行检测。ＴＩＣ是一个内部信号，默认值约为１００ｍｓ，用于同时锁存所有１２个通道的测量数据（周期计数、码相位、码ＤＣＯ相位、载波ＤＣＯ相位、载波周期计数），其周期可以改变。ＭＥＡＳ ＩＮＴ是测量中断信号。ＴＩＭＥＭＡＲＫ为时间标记，可作为秒脉冲信号。
２．２ 相关器中的跟踪模块
该模块是１２个独立的信号跟踪模块，编号ＣＨ０～ＣＨ１１。这些功能模块产生的数据可用于跟踪卫星信号。图３所示是跟踪模块的原理框图。每一个跟踪通道可独立编程，并可工作于Ｕｐｄａｔｅ（更新）模式或者Ｐｒｅｓｅｔ（预设）模式。其中更新模式是普通模式。预设模式是特别的工作模式。

    由图３可以看出，ＧＰ２０２１的跟踪模块中主要包括载波ＤＣＯ、码ＤＣＯ码数控振荡器、载波周期计数器、Ｃ／Ａ码产生器、数据源选择器、载波混频器、码混频器、累加与清零、码相位计数器、码扫描计数器以及周期计数器等部分。
３ 典型应用
图４所示是使用ＧＰ２０２１设计的典型ＧＰＳ接收机，由ＧＰ２０１０或ＧＰ２０１５射频前端、ＧＰ２０２１相关器以及ＡＲＭ６０ ３２位ＲＩＳＣ微处理器组成。该系统可以使用单个射频前端，因为所有的ＧＰＳ卫星都使用相同的Ｌ１天线，频率为１５７５．４２ＭＨｚ。但是为了获得更广的空间覆盖，有时需要使用多根天线，这时就需要多个独立的射频前端。在射频部分，ＧＰ２０１０或ＧＰ２０１５可对Ｌ１信号进行下变频以进行数字基带处理，然后将得到的信号在ＧＰ２０２１中与本地产生的Ｃ／Ａ码进行相关处理。每一相关通道可以使用各自的码字，这样１２个相关器通道就可以同时工作以捕获和跟踪多达１２颗卫星。把相关器的输出数据送到微处理器便可得到导航信息和控制跟踪环路信号。
为抑制杂散，保证相关器的正确工作，应减小相关器ＧＰ２０２１和射频前端相连接所产生的干扰。并使ＧＰ２０２１相关器的ＳＡＭＰＣＬＫ信号谐波达到最小，以使其不会混到ＩＦ链路的通带内。
ＧＰ２０２１的ＳＡＭＰＣＬＫ输出和ＧＰ２０１５的ＣＬＫ输入间应串连一个１．５ｋΩ的电阻，它与ＣＬＫ脚的输入电阻构成一个滤波器，可以抑制ＳＡＭＰＣＬＫ信号的高次谐波。在射频前端送来的数据进入ＧＰ２０２１前，也应采取类似措施，即在ＧＰ２０１５的ＭＡＧ和ＳＩＧＮ输出端与ＧＰ２０１０的输入端之间串连一个４７０Ω的电阻。

    此外，为了抑制干扰，还要考虑电源解耦和布线，考虑关键元件的放置和印制板地平面的设置。