笔记本电脑借助通用GPS RF前端实现软件基带处理

引言

近来，通讯和导航工程师越来越倾向在全球定位系统(GPS)中采用软件技术。^1,2 由于超大规模集成电路的发展，性能强大的CPU和DSP能够通过软件对GPS信号进行实时检测和解码。这些基于软件的GPS接收机具有相当强的灵活性：只需修改设置参数即可适应新的应用，无需重新设计硬件，选择一个IF，就可完成进一步的系统升级。

利用MAX2769 GPS接收机RF前端芯片，简单的USB dongle或PCI Express® (PCIe®)迷你卡就可以为笔记本电脑增加低本钱的GPS功能。MAX2769将接收到的原始数据传输到PC主机，PC主机利用软件实现基带解码，从而 省往了单机GPS系统所需要的基带ASIC的本钱。简单的说，MAX2769使设计职员可以利用单芯片实现GPS和Galileo系统信号处理的适配器。

本文给出了GPS系统的工作状态概述，并具体描述了Maxim的基于软件的GPS接收机方案。

GPS基本原理

GPS系统包含24颗空间卫星或空间运载器(每个都用唯一的伪随机噪声编码识别)、地面控制站以及用户设备(接收机)。对于民用GPS和Galileo系统，这些卫星通过频率为1.57542GHz的L1波段进行通讯。³ GPS接收机必须捕捉到至少四颗卫星的信号才能进行可靠定位，信号捕捉和跟踪非常复杂，由于每颗卫星和接收机的位置时刻都在变化。

图1. 民用GPS信号发生器采用扩频技术发送信号。

GPS信号

GPS系统实际上是一个简单的扩频通讯系统。 图1提供了一个民用GPS系统的信号发生电路。首先，50bps的 导航信息重复20次，形成1000bps的比特流。然后这个重复信号被长度为1023码片(伪随机噪声(PRN)码的码速)的唯一粗调/捕捉码(C/A) 进行扩频，形成1.023Mcps的基带信号。此用这种扩频方法后，43dB大小的GPS系统的总处理增益(G)可以很好地恢复比热噪声电平低得多的信 号。

每颗卫星都有唯一的C/A码或者说Gold码。 由于具有很好的自相关和互相关性，Gold码被广泛用于各种CDMA通讯系统，如WCDMA和cdma2000®。基带信号经过二元相移键控(BPSK)调制后被上变频到L1波段进行传输。

信号捕捉

由于GPS是一种CDMA通讯系统，所以作为解调数据的先决条件，接收机必须与PRN码进行同步。实现代码同步通常需要两个步骤：用来实现粗对准的代码捕捉和用来实现精细对准的代码相位跟踪。⁶ 更明确地讲，GPS接收机必须首先确定它对某颗卫星是否具有视距上的可视性。我们知道，每颗卫星都由唯一的C/A码来区分。当卫星可视时，由捕捉过程判定 信号的频率和代码相位，然后确定相应的解调参数。由于存在多普勒效应，根据卫星相对于接收机的速度，接收信号的频率一般会偏移标称值5kHz到 10kHz。

在接收器端，GPS信号首先被下变频到同向和正交(I和Q)分量信号。再由一对I和Q相关器将I/Q基带信号与本地PRN序列进行相关运算。经过一个比特周期的积分后，I-Q相关器的输出被累加起来以提供输出判定变量。