gps天线原理

gps天线原理 GPS接收机射频前端电路原理与设计 文章来源电子技术应用 添加时间 -6-13 18:12:17 摘要在天线单元设计中采用了高频、低噪声放大器以减弱天线热噪声及前面几级单元电路对接收机性能的影响基于超外差式电路结构、镜频抑制和信道选择原理选用GP2010芯片实现了射频单元的三级变频 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 并介绍了高稳定度本振荡信号的合成和采样量化器的工作原理得到了导航电文相关提取所需要的二进制数字中频卫星信号。 被屏蔽广告 关键词接收机 灵敏度 超外差 锁相环频率合成 利用GPS卫星实现导航定位时用户接收机的主要任务是提取卫星信号中的伪随机噪声码和数据码以进一步解算得到接收机载体的位置、速度和时间等导航信息。因此接收机是至关重要的用户设备。目前实际应用的GPS接收机电路一般由天线单元、射频单元、通信单元和解算单元等四部分组成如图1所示。本文在分析GPS卫星信号组成的基础上给出了射频前端GP2010的原理及应用。 1 GPS卫星信号的组成 GPS卫星信号采用典型的码分多址 调制技术进行合成如图2所示其完整信号主要包括载波、伪随机码 两载波的中心频率分别记作L1和L2。和数据码等三种分量。信号载波处于L波段 卫星信号参考时钟频率f0为信号载波L1的中心频率为f0的154倍频即 其波长信号载波L2的中心频率为f0的120倍频即其波长λ224.42cm。两载波的频率差为 大约是L2的这样选择载波频率便于测得或消除导航信号从GPS卫星传播至接收机时由于电离层效应而引起的传播延迟误差。伪随机噪声码 即测距码主要有精测距码码和粗测距码码两种。其中P码的码率为10.23MHz、C/A码的码率为1.023MHz。数据码是GPS卫星以二进制形式发送给用户接收机的导航定位数据又叫导航电文或D码它主要包括卫星历、卫星钟校正、电离层延迟校正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的信息和全部卫星的概略星历总电文由1500位组成分为5个子帧每个子帧在6s内发射10个字每个字30位共计300位因此数据码的波特率为50bps。 数据码和两种伪随机码分别以同相和正交方式调制在L1载波上而在L2载波上只用P码进行双相调制因此L1和L2的完整卫星信号分别为 SL2tBpPitDitcosωL2tφp2 4 式中、Bp、Ac分别为P码和C/A码的振幅、Cit分别为对应P码和C/A码的伪随机序列码为卫星导航电文数据码ωL1、ωL2分别为L1和L2载波信号的角频率和φP1、φP2分别为C/A码和P码对应于载波的起始相位。合成的GPS信号向全球发射随时随地供接收机解算导航定位信息使用。 2 GPS接收机的灵敏度 GPS接收机对信号的检测质量取决于信噪比当其为“理想接收机”时接收机输入端的信噪比式 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明由于内部噪声影响接收机输出端信噪比相对于输入端信噪比变差的倍数由式 与其输出端的信噪比So/No相同。由于实际GPS接收机存在内部噪声使得而噪声越大输出信噪比越越小则接收机的性能越差此时接收机的噪声系数为输入信号额定功率可表示为式给出了GPS接收机在噪声背景下接收卫星信号的能力接收机不仅要将输出信号放大到足够的 数值更重要的是要使输出端的信噪比So/No达到所需比值。令 时对应的接收机输入信号功率的最小可检测信号功率为 通常用它表示接收机的灵敏度。由于接收机的输入噪声额定功率 Ni Bn为单 元电路的带宽。将式代入式可得式中k为玻尔兹曼常数-23J/KT0为单元电路的室内温度17?绝对温度 于是可进一步得到GPS接收机的灵敏度为 由式可知为了提高GPS接收机的灵敏度就要减少最小可检测信号功率因此在接收机 3 GPS接收机天线单元 天线单元的主要功能是接收空中GPS卫星信号从而为接收机射频前端提供较为纯净的完整卫星信号。 电路设计中一方面要考虑尽量降低接收机的总噪声系数另一方面应设法提高噪声背景下GPS接收机输出端的信噪比So/No。 在接收机设计中当两个单元电路级联时如图3所示如果第一、二级单元电路的噪声系数和额定功率增益分别为F1、F2和G1、其带宽均为设级联电路的总噪声系数为则其实际输出的额定噪声功能No为第二级单元电路所产生的噪声功率且 No Δ 将 No k 化 Fo 同 Fo 元电路的噪声系数对总噪声系数的影响越大。因此总噪声系数主要取决于最前面几级单元电路的噪声系数其中天线热噪声对接收机 故设计时采用接收天线、射频频段选择带通滤波器及高频低噪放性能影响最大 等器件组成天线单元如图4所示。天线单元采用DC 5V供电其中LNA采用高增益、低噪声、高频放大器其增益高达21dB、噪声系数低于 有利于降低GPS接收机的总噪声系数其工作频段处于适合于C/A码GPS接收机的频带需求可满足高增益和低噪声系数的性能指标要求。 即其中No12是由于第一kT0BnG1G2Fo 10 由于No由两部分组成 级单元电路的噪声在第二级单元电路输出端呈现的额定噪声功率是由于12kToBnG1G2F1 12 N2kToBnG2F2-1 13 式、代入式则 kToBnC1C2Fo ToBnG1G2F1kToBnG2F2-1 14 简式得到两级单元电路级联后的总噪声系数为-1/G1 15 理可得级单元电路级联时的总噪声系数为F1F2-1/G1F3-1/G1G2?-?Gn-1 16 可见接收机中各级单元电路的内部噪声对级联后总噪声系数的响应有所不同级数越靠前的单 点击放大图片 4 GPS接收机射频单元 噪声总线伴随着信号同时出现尽可能提高噪声背景下输出端的信噪比是改善接收机灵敏度的重要措施。GPS接收机天线单元接收并提供给射频单元的信号频率很高而信道带宽又很窄要直接滤出所需信道则需Q值非常大的滤波器至少目前的技术水平难以满足这一指标另外高频电路在增益、精度和稳定性等方面的问题在高频范围直接对GPS卫星信号进行解调很不现实。为此在射频单元设计中采用“超外差”式多级变频配合区配滤波器的电路结构以消除噪声干扰解决高频信号处理中所遇到的困难。适合这种电路结构的芯片采用了第二代GPS接收机射频前端GP2010。它采用44引脚、帧面方形封装主要集成了频率合成器、混频器、自动增益控制电路以及数字量化器等。GP2010接收的信号频率与L1载波的卫星信号频率兼容主要用于设计C/A码GPS接收机的射频单元。微弱的GPS高频信号通过超外差式三级混频电路去掉了其它信道干扰获得了足够增益解调并撮出所需的中频信息。图5给出了前两级超外差式下变频器和带有自动增益控制电路的第三级混频器的工作原理图每经过一次下变频输出信号的频率降低、幅度增大而其它信道和频段的干扰则被逐步滤除。 GP2010利用混频器将高频GPS信号搬到很低中频频率的同时引入了镜频干扰而利用滤波器对镜频干扰的抑制效果取决于镜频频率与信号频率之间的距离或者说 取决于中频频率的高低。如果中频频率高则信号与镜频相距较远那么镜频成份就能受到较大抑制反之如果中频频率较低则信号与镜频相隔不远滤波器对干扰的滤波效果就比较差。由于信道选择在中频进行同理较高的中频频率对信道选择滤波器的要求也较高于是镜频抑制与信道选择形成一对矛盾而中频频率的选择成为平衡这对矛盾的关键。所以在GPS接收机设计中通常使用两级或三次变频来取得更好的折衷。 由图5可看出的三级变频器采用了中心频率分别为175.42MHz、35.42MHz和4.309MHz的三个中频滤波器。各级混频器需要的本振信号均由片内集成锁相环频率合成器提供如图6所示。它主要由PLL振荡器回路、鉴相器、PLL环路滤波器、分频器和一个完整的1400MHz压控振荡器 等元件组成。PLL采用10.000MHz参考频率的控制增益为150MHz/V、输出频率范围为。为了提供高稳定度参考频率源设计中采用了温度补偿型晶体振荡器自输入阻抗为5kΩ的参考频率提供10.000MHz的AC小信号频率给PLL振荡器。当PLL相位锁定参考信号时鉴相输出 相位锁定时间约需环路增益约为150dB。VCO逻辑高电平指示相位已锁定 输出的1400MHz信号作为第一本振信号由其分频产生的140.0MHz、31.111MHz信号分别作为第二本振第第三本振信号。当GP2010接收到1575.42MHz的GPS卫星信号时通过三级变频可得到4.309MHz的中频信号。 为配合通道单元和解算单元完成导航信号的数据提取及信号处理在5.714MHz采样时钟控制下的片内集 从而为通道单元成数字量化器可实现对4.309MHz的中频卫星信号进行数字量化 相关器提供TTL电平的2位量化输出即1.405MHz的二进制符号及量值数字信息如图7所示。为了得到平稳的中频卫星信号及采样数字输出该模块同时产生AGC控制信号用于稳定第三级变频如图所示时所产生的中频信号幅度。 总之 芯片组是Zarlink半导体公司为设计GPS接收机而推出的一系列集成电路采用GP2000芯片组可设计出多通道卫星信号接收设备。在GPS接收机设计中天线单元的设计着重考虑频段选择和高频低噪放对接收机总噪声系数的影响以提高接收机灵敏度射频单元利用频率合成、频率变换、自动增益控制等技术依靠高品质的中频频率选择、镜频抑制和信道选择滤波器对所接收的GPS信号进行变频、放大、滤波、采样等一系列处理从而得到数字中频卫星信号。由此精心设计的超外差式GPS接收机可达到很高的接收灵敏度、频率选择性和较大的动态范围并具有结构简单、体积小、重量轻、耗电省等优点。 基于MAX2742型电路的GPS接收机设计 李今明 引言 GPS卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户典型GPS接收机的结构如图1所示。 1只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即GPS信号接收机就可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。GPS信号接收机的功能是能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号并跟踪这些卫星的运行对接收到的GPS信号进行变换、放大和处理、以便测量出GPS信号从卫星接收机天线的传播时间解译GPS卫星所发送的导航电文实时地计算出测站的3维位置甚至3维速度和时间。 1575.42MHz的GPS信号在进入下变频IC前先经过低噪声放大器和滤波器。低噪声放大器是GPS射频接收器中最重要的部分这个放大器基本上可以决定整个接收机的噪声大小因此是接收机灵敏度的直接决定因素。射频信号经过下变频IC后将单端或差分IF信号输出给GPS基 带数字信号处理单元。 经GPS基带DSP处理后的定位信息遵循NMEA0183 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 通过串行数据接口实现与GSM模块、PDA设备、便携式PC等数字处理终端设备的通信。数字处理终端通过网络和专用软件实现各种应用比如通过地理信息系统实现各种运动目标的追踪定位等。 2 MAX2742特点 利用MAX2742型CMOS RF前端GPS接收机电路附加极少的外部元件即可构成一种完整的GPS解决方案。这款性能优异的电路只需消耗极低的功率并且不需要昂贵的IF SAW滤波器和体积庞大的分立IF SAW滤波器。MAX2742内部集成了低噪声放大器 、混频器、BPF、自动增益控制放大器、本振合成器、时钟缓冲器和内部数字采样器。该电路能够与许多商用GPS基带IC接口适合多种应用其中包括汽车导航、远程信息处理、自动安全监控、资产跟踪、定位服务及其他消费类电子产品。 MAX2742工作于18.414MHz晶振或可通过IFSEL引脚引脚来选择差分或单端IF输出。总的信号变换增益为 噪声系数信号以18.414MHz的参考时钟频率进行采样。 TQFP封装尺寸仅为可工作于??MAX2742采用48引脚 范围。 3 MAX2742工作原理 3.1 高性能内置LNA 图2示出MAX2742的内部结构。MAX2742采用高性能的内置LNA实现二级滤波极大地降低了干扰信号对接收机性能的两种负面影响第一如果带外滤波不充分干扰信号可能会引起低噪声放大器或降频变换器非线性工作这会造成不真实输出或加大接收器的噪声系数第 如果解调器的干扰信号过大则接收器处理的信号不真实不能输出定位信二 息。 3.2 中频滤波 IF信号通过一个IF滤波器实现对带外毛刺达60dB和对镜像噪声达18dB的抑制。经过镜像抑制滤波器之后信号转变为差分信号。经过滤波的IF信号被AGC模块放大模块通过使用50dB的动态范围将VGA输出信号水平设置为一个预定值。内部的偏移抵消装置将为大约100kHz的1dB拐角频率的IF信号产生一个高通特性。 3.3 锁相环设计 MAX2742内部VCO提供积差分 本机振荡器信号给下变频混频器并控制这一频率。一个板上TCXO产生参考频率。这种集成合成器包含VCO、TCXO缓冲器、主频率分割器、相频探测器和电荷泵。它用一个独立PLL滤波器和TCXO。TCXO的输出端通过一个耦合电容器连接到电路的XTALIN1和XTALIN2引脚。 4 基于MAX2742的GPS接收机 4.1 射频输入 图3示出基于MAX2742的GPS接收机的结构框图。1575.42MHz的L1 GPS的信号由天线接收后获得1.5dB噪声和20dB增益经过进行放大。MAX2654工作在1575MHz的GPS频段增益为噪声系数为电流消耗仅为8.3mA。放大后的信号输入到实现37dB的带外抑制仅产生3dB的插入损耗。NSVS658具有50??的标准输入/输出阻抗信号在输入 引脚时需要外接阻抗匹配电路。 4.2 电源滤波 MAX2742采用统一VDD供电在给高频放大和混频模块供电时引脚需采用滤波电路在设计外部电路和印制电路板时必须注意。一般用两只旁路电容器与各个引脚相连一个用于过滤高频元件的干扰信号另一个用于过滤低频元件的干扰信号。这两个电容应尽量靠近各个引脚以减小线路的感应系数同理这两个电容器的另一端应尽量靠近地。设计中注意到上述问题放大器的工作会很稳定反之射频输入可能会很不稳定。 4.3 天线控制模块 使用p沟道MOSFET和电流感应电阻器控制天线供电。感应电阻把天线的供电信息反馈给CXD2932有三 种可能状态正常、短路和开路。 4.4 基带处理电路 CXD2932是GPS卫星定位测量系统专用的大规模集成电路。这个电路包含一个、卫星追踪电路、掩模型ROM、RAM、UART和内部时钟等。这个电路配合RF电路即上文介绍的能够实现各种定位和导航。 CXD2932具有以下特点通道GPS接收机能够同时接收16颗卫星的信号支持差分符合 支持el直接存取雷达波道全视野 测量时钟支持GPS时间编程 电源管理功能支持通道通道内部时钟 多用途I/O端口逐次近似系统A/D转换器通道模拟开关。 4.5 软件设计 软件设计主要指设置GPS接收模块与MCU之间的串口通信、参数显示及人机接口。主要包括初始化、串口通信、数据处理、故障提示、显示、键盘处理、电源管理等部分。其中初始化包括CXD2932中各种寄存器的配置、串口相关参数配置波特率、模式及外围电路、电源等设备检测的初始化等。串口通信包括数据发送、接收、校验和通信故障提示等。数据处理主要是对接收数据的解码、存储和数据刷新等。故障提示包括设备故障、通信故障和电源故障等。电源管理主要是电源欠压提示和当前电源状态显示。图4示出软件程序流程。 4.6 PCB的布局规则 在对PCB进行布局时旁路电阻器应尽量靠近器件引脚。某些重要元件可以布置在MAX2742的背面使得MAX2742到这些元件的路径尽量短。压控振荡器可 在PCB布局时必须考虑到这一点。L频段的输入和转换器之能会与阻抗引起共振 间如果靠得太近也可能会产生电流耦合。在应用中如果产生这种耦合接收器对干扰信号非常敏感。为了减少这种耦合可采用带状线结构而不采用微波传输带结构。这个完整的解决方案仅占用25mm×25mm的PCB空间。图5示出PCB的顶层和底层丝印图。 5 结束语 文中提出了一套较完整的GPS接收机设计方案。在器材选择上充分考虑到GPS系统的手持及车载应用做到了电流小、功耗低、发热量低、稳定性好、灵敏度高、快速快在电路及PCB设计中充分考虑了微波电路的特殊性力争将各种干扰降到最低。 人造卫星定位系统在桥梁结构 来源中国论文下载中心 06-03-22 10:02:00 作者黄启远 文景良 陈伟 编辑摘要香港特别行政区政府路政署最近采用人造卫星定位技术应用于桥梁结构健康监测系统借以增强和改进青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的结构健康监测工作这人造卫星定位系统主要用作量度三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔瞬间位移和推算其相应的导量截面中线位移及各相应主要构件的应力状况。GPS监测系统是一套实时监测系统它包括测量仪接驳站信息收集总控制站光纤网络电脑系统及显示器等。本文主要介绍路政署于奇马管制区内所安装的GPS监测系统并论述有关GPS信息在桥梁结构健康监测中的应用如风力效应监测、温度效应监测、交通荷载效应监测和各主要构件的应力监测等。 关键词人造卫星定位系统 结构健康 监测系统 结构评估 悬吊体系桥梁 一、引言 大桥主梁和索塔轴线的空间位置是衡量大桥是否处于正常营运状态的一个重要标志。普遍大桥的结构设计是基于导量位移。任何索塔和主梁轴线偏高于设计轴线都直接影响大桥的承载能力和构件的内力分布。目前香港的三座悬吊体系桥梁均设有桥梁结构健康监测系统简称quot桥监系统quot。用以监测大桥在营运期间的结构健康变化继而进行结构评估。虽然大桥主梁及索塔轴线监测已包 括在大桥每年一次的大地测量范围内可是现存的quot桥监系统quot还未能对大桥主梁和索塔轴线作实时的监测。鉴于近年人造卫星定位系统 的实时位移测量精度有显著的提升垂直面误差约而水平面差误约因此香港特别行政区政府路政署引进GPS技术用作监测大桥主梁及索塔轴线提供全桥整体的度量位移。路政署在拟定桥梁结构健康检测和评估项目的过程中亦曾考虑其他测量技术方案如运用红外光线和激光科技可是这些技术均需要一定视野清晰度故在现阶段仍未适合在恶劣天气下操作。 二、 GPS监测范围和目的12 在上述三座悬吊体系桥梁上本已设置传统的传感器来测量桥身的位移状况。包括在桥身两端的位移仪用作量度桥身的纵向位移及高精度加速仪用作量度桥身的垂直和横向加速度。高频率的加速数据经过二次积分运算后只能提供局部振幅的导量未能准确地运算桥身整体的摆动幅度这是因为桥身整体的惯性偏移速度较缓慢加速仪不能准确测量另一方面在监测桥身固温度变化而产生的相应位移时虽然另设有一组创新设计的水平仪系统来直接量度桥身的垂直位 但由于这系统是利用液压原理运作鉴于液体的惯性限制系统只能以每秒一移 数据的采样率来提供位移信息未能录取瞬间的振幅错过了一些较大的瞬间振幅因而数据难免有误差。以往路政署曾考虑应用GPS技术在悬吊体系桥梁监测上。经过近年在青马大桥上安排的多次实地测试为验证及改进精度最后决定在quot桥监系统quot中增设备有RTK实时动态测量功能的GPS监测系统直接量度桥梁的独 增强对桥梁结构健康监测的可靠度。现时GPS系统安装工程已接立三维实时位移 近完成阶段、数据收集会在竣工后立即开始。这GPS监测系统主要用作度量三座悬吊体系桥梁的桥身和桥塔的瞬时位移以及推算其相应的导量截面中线位移及各相应主要构件的应力状态。 三、GPS监测系统简介监测系统概要 GPS监测系统是一套实时监测系统主要由四组系统组成通过固定光纤纲络传输数据而进行运作。这四个系统分别是测量系统