本應(yīng)用筆記探討了L1頻段民用GPS應(yīng)用中基于軟件的接收機(jī)的基本理論，包括對(duì)信號(hào)采集和跟蹤的討論，以及接收機(jī)中位同步的需求。然后詳細(xì)介紹了一種低成本的方法，通過USB加密狗和MAX2769通用GPS接收器為筆記本電腦添加GPS功能。

概述

通信和導(dǎo)航工程師對(duì)將軟件技術(shù)用于全球定位系統(tǒng)（GPS）越來越感興趣。1,2得益于超大規(guī)模集成 （VLSI） 開發(fā)，功能強(qiáng)大的 CPU 和 DSP 現(xiàn)在可以使用軟件實(shí)時(shí)檢測(cè)和解碼 GPS 信號(hào)。由此產(chǎn)生的基于軟件的GPS接收機(jī)在修改設(shè)置以適應(yīng)新應(yīng)用方面提供了相當(dāng)大的靈活性，而無需重新設(shè)計(jì)硬件、選擇IF頻率或?qū)嵤┪磥淼纳?jí)。

利用MAX2769 GPS接收器RF前端，可以使用簡(jiǎn)單的USB加密狗或PCI Express?（PCIe?）迷你卡格式為筆記本電腦增加低成本GPS功能。MAX2769將原始恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C主機(jī)，PC主機(jī)在軟件中執(zhí)行基帶解碼，從而消除了獨(dú)立GPS系統(tǒng)通常需要的基帶ASIC成本。簡(jiǎn)而言之，MAX2769使設(shè)計(jì)人員能夠利用單芯片實(shí)現(xiàn)能夠處理GPS和伽利略信號(hào)的適配器。

本文概述了GPS系統(tǒng)的操作，并詳細(xì)介紹了Maxim基于軟件的GPS接收器解決方案。

全球定位系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)

GPS系統(tǒng)由24顆空間衛(wèi)星或航天器（每顆由唯一的偽隨機(jī)噪聲代碼標(biāo)識(shí)）、一個(gè)地面控制站和用戶設(shè)備（接收器）組成。對(duì)于民用GPS和伽利略應(yīng)用，衛(wèi)星通過位于1.1GHz的L57542頻段進(jìn)行通信。3GPS 接收器需要至少四顆衛(wèi)星的視線可見性才能建立可靠的位置。信號(hào)的采集和跟蹤非常復(fù)雜，因?yàn)槊總€(gè)信號(hào)都隨時(shí)間和接收器位置而變化。

圖1.民用GPS信號(hào)的信號(hào)生成塊使用擴(kuò)頻方法發(fā)送信號(hào)。

全球定位系統(tǒng)信號(hào)

GPS系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)簡(jiǎn)單的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。4 圖1顯示了民用應(yīng)用的信號(hào)發(fā)生模塊。首先，將 50bps 的導(dǎo)航消息重復(fù) 20 次以產(chǎn)生 1000bps 的比特流。然后，重復(fù)信號(hào)通過長(zhǎng)度為1023個(gè)芯片的唯一粗/采集（C/A）代碼進(jìn)行傳播，芯片是應(yīng)用偽隨機(jī)噪聲（PRN）碼的速率。結(jié)果是基帶信號(hào)為1.023Mcps。因此，GPS系統(tǒng)的43dB處理增益（G）允許其分辨遠(yuǎn)低于熱噪聲水平的信號(hào)。

每顆衛(wèi)星都被分配一個(gè)唯一的 C/A 代碼，也稱為黃金代碼。5由于黃金碼表現(xiàn)出優(yōu)異的自相關(guān)和互相關(guān)特性，因此廣泛用于CDMA通信系統(tǒng)，如WCDMA和cdma2000??；鶐盘?hào)通過二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）進(jìn)行調(diào)制，并上變頻至L1頻段進(jìn)行傳輸。

信號(hào)采集方法分析

由于GPS是CDMA通信系統(tǒng)，因此接收器必須同步PRN碼作為解調(diào)數(shù)據(jù)的先決條件。代碼同步通常分兩步實(shí)現(xiàn)：用于粗碼對(duì)齊的代碼采集，以及用于精細(xì)對(duì)齊的代碼相位跟蹤。6更明確地說，GPS接收器必須首先確定它是否對(duì)某些衛(wèi)星具有視線可見性。眾所周知，每顆衛(wèi)星都由唯一的C / A代碼區(qū)分。當(dāng)衛(wèi)星可見時(shí)，采集確定信號(hào)的頻率和碼相位，進(jìn)而建立相應(yīng)的解調(diào)參數(shù)。接收到的信號(hào)頻率因多普勒效應(yīng)而變化，7這導(dǎo)致頻率偏離其標(biāo)稱值 5kHz 至 10kHz，具體取決于衛(wèi)星相對(duì)于接收器的速度。

在接收器中，GPS信號(hào)首先下變頻為同相和正交（I和Q）分量。然后，一對(duì)I/Q相關(guān)器將I和Q基帶信號(hào)與本地生成的PRN序列相關(guān)聯(lián)。在一位的持續(xù)時(shí)間內(nèi)積分后，I-Q相關(guān)器輸出相加以提供輸出決策變量。

每當(dāng)決策變量超過某個(gè)閾值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)假定相應(yīng)的采集成功，并進(jìn)入跟蹤模式。否則，調(diào)整局部生成的PRN序列的相對(duì)相位和振蕩器頻率以更新決策變量，并重復(fù)上述過程。

雖然這種串行搜索方法的簡(jiǎn)單邏輯結(jié)構(gòu)使其在ASIC中實(shí)現(xiàn)是可行的，但由于搜索空間巨大，因此對(duì)于軟件實(shí)現(xiàn)并不實(shí)用。假設(shè)系統(tǒng)允許500Hz載波頻率偏移，多普勒頻率為10kHz，則軟件實(shí)現(xiàn)的搜索空間約為2×（10，000/500）×1023 = 40，920。顯然，在軟件中進(jìn)行串行搜索采集是困難的。

一種使用軟件實(shí)現(xiàn)的更簡(jiǎn)單的采集方法是頻域、并行碼相采集。該方法將多普勒頻率和碼相搜索組合成一個(gè)搜索，在PRN碼的快速傅里葉變換（FFT）之后，將所有碼相信息反映到頻域中。然后，我們只需要搜索多普勒頻率偏移上的空間，從而實(shí)現(xiàn)快速有效的軟件搜索。

系統(tǒng)首先將輸入信號(hào)與本地生成的正弦和余弦載波（分別為I和Q信號(hào)分量）相乘來實(shí)現(xiàn)此搜索。然后，I和Q分量組合為FFT模塊的復(fù)數(shù)輸入。此傅里葉變換的結(jié)果乘以 PRN 碼的 FFT 變換的共軛（PRN 生成器生成具有零碼相位的代碼）。在實(shí)踐中，可以將FFT操作和PRN代碼的生成制成表格，以降低計(jì)算復(fù)雜性。

最后，輸入信號(hào)和本地代碼的乘積（表示輸入頻率和載波頻率之間的校正）應(yīng)用于傅里葉逆變換，其平方輸出反饋到?jīng)Q策邏輯?；贔FT的頻域已被證明是計(jì)算資源的低消耗者。對(duì)于前面提到的示例，采集的復(fù)雜性大約為 20，000/500 = 40 FFT 操作。

串行搜索方法具有方便的ASIC實(shí)現(xiàn)所需的簡(jiǎn)單邏輯和控制架構(gòu)。然而，這種方法所需的巨大搜索空間給軟件算法帶來了額外的復(fù)雜性。因此，串行搜索方法不是軟件GPS接收器的好選擇。相比之下，并行碼采集方法的低復(fù)雜度使其成為軟件實(shí)現(xiàn)的理想選擇。然而，它的邏輯架構(gòu)比串行搜索方法復(fù)雜得多，因此很難在ASIC中實(shí)現(xiàn)。

跟蹤優(yōu)化對(duì)齊

采集可建立 GPS 信號(hào)頻率和碼相參數(shù)的粗略對(duì)齊。因此，跟蹤的目的是優(yōu)化這種對(duì)齊，以便系統(tǒng)可以使用精確的代碼相位和頻率信息解調(diào)數(shù)據(jù)。跟蹤包括碼相跟蹤和載頻跟蹤。

代碼跟蹤是通過圖 2 所示的延遲鎖緊環(huán) （DLL） 完成的。DLL電路將輸入信號(hào)乘以PRN碼的三個(gè)本地副本（時(shí)間定位在±0.5芯片）;這些副本表示相對(duì)于傳入信號(hào)的早期、及時(shí)和延遲到達(dá)。積分后，這些信號(hào)中的每一個(gè)都表示輸入信號(hào)與本地副本之間的相關(guān)性。然后選擇并保留具有最高相關(guān)值的那個(gè)（圖 3）。

圖2.在代碼跟蹤階段使用延遲鎖相環(huán)來幫助優(yōu)化對(duì)齊，從而更好地解調(diào)具有精確代碼相位和頻率信息的數(shù)據(jù)。

圖3.DLL 電路將輸入信號(hào)乘以 PRN 代碼的三個(gè)本地副本（時(shí)間定位在 ±0.5 芯片），它們表示相對(duì)于輸入信號(hào)的早期、提示和延遲到達(dá)。然后選擇并保留具有最高相關(guān)值的那個(gè)。

載波頻率跟蹤由鎖相環(huán)（PLL）或Costas環(huán)路執(zhí)行。8載波跟蹤的目的是將本地生成的頻率調(diào)整到輸入信號(hào)的確切頻率。

在采集和跟蹤建立初始同步后，系統(tǒng)可以解碼導(dǎo)航位。數(shù)據(jù)解調(diào)首先將1.023Mcps輸入信號(hào)解擴(kuò)為1000bps位流。然后調(diào)用位同步以從 50bps 流中恢復(fù) 1000bps 信息。對(duì)于位同步，我們首先需要確定時(shí)間上位的開始。這是通過找到過零邊沿（零伏特）來實(shí)現(xiàn)的，該邊沿指示位的開始。當(dāng)知道該邊緣時(shí)，我們可以以 1000ms 的間隔對(duì) 20bps 的輸入流進(jìn)行分區(qū)，知道導(dǎo)航數(shù)據(jù)消息（50 位）的持續(xù)時(shí)間為 20ms。最后，對(duì)間隔為20ms的位樣本求和并取平均值，以解碼導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

基于軟件的 GPS 接收器

傳統(tǒng)的GPS接收器在ASIC中實(shí)現(xiàn)采集、跟蹤和位同步操作，而基于軟件的GPS接收器通過在軟件中實(shí)現(xiàn)這些功能提供了更大的靈活性。通過簡(jiǎn)化硬件架構(gòu)，軟件使接收器更小、成本更低、更節(jié)能。軟件代碼可以用 C/C++、MATLAB? 和其他語(yǔ)言編寫，并移植到所有操作系統(tǒng)（嵌入式操作系統(tǒng)、PC、Linux 和 DSP 平臺(tái)）中。因此，軟件GPS接收器為移動(dòng)手機(jī)、PDA和類似應(yīng)用提供了最大的靈活性。

對(duì)于筆記本電腦，設(shè)計(jì)人員可以設(shè)計(jì)一個(gè)USB加密狗，以與任何帶有USB端口的筆記本電腦配合使用。對(duì)于帶有 PCIe 迷你卡連接器的較新筆記本電腦，他們可以在 PCIe 迷你卡上放置射頻前端并將卡嵌入 PC 中（圖 4a、4b）。PCIe 迷你卡接口包括一個(gè) USB 端口，因此 USB 和 PCIe 迷你卡的前端適配器設(shè)計(jì)相似。主要區(qū)別在于支持 PCIe 所需的一些電源管理邏輯和不同的直流電壓（PCIe 為 3.3V，外部 USB 端口為 5V）。

圖4.USB 加密狗 （a） 和 PCIe 迷你卡 （b） 的典型適配器配置顯示了任一選項(xiàng)的簡(jiǎn)單、低成本設(shè)計(jì)。

圖5b顯示了USB加密狗的框圖，展示了該解決方案的簡(jiǎn)單性。該電路采用MAX2769通用GPS接收器、計(jì)數(shù)器和USB接口控制器來捕獲信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后發(fā)送到主機(jī)PC。然后，軟件執(zhí)行所有基帶功能，并在PC屏幕上顯示位置。因此，筆記本電腦成為功能強(qiáng)大的GPS設(shè)備，可以支持導(dǎo)航和豐富的基于位置的服務(wù)。

GPS 前端通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) USB 2.0 接口將數(shù)字化的中頻數(shù)據(jù)流傳輸?shù)焦P記本電腦中。軟件基帶程序使用輸入來計(jì)算位置定位，然后執(zhí)行跟蹤。（該軟件的一個(gè)可能來源是Geotate。有關(guān)更多信息，請(qǐng)轉(zhuǎn)到：https://www.u-blox.com/en/product-resources。

為了提供通用接口，該軟件可以創(chuàng)建一個(gè)虛擬COM端口，以便它可以鏈接到大量現(xiàn)有的導(dǎo)航和定位應(yīng)用程序。大多數(shù)GPS軟件包接口符合NMEA 0183，通常在Microsoft的Windows XP和Windows? Vista?操作系統(tǒng)上運(yùn)行。此外，該軟件應(yīng)該能夠處理所有可用的輔助數(shù)據(jù)，無論是通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議還是專有客戶接口提供。

當(dāng)今大多數(shù)筆記本電腦內(nèi)部的CPU具有足夠的性能，可以滿足軟件GPS接收器的實(shí)時(shí)解碼需求。在 1GHz 奔騰? M 系統(tǒng)上，跟蹤時(shí)的平均處理器負(fù)載約為 6%;在 2.18GHz Core? Duo 處理器上，每秒執(zhí)行更新時(shí)，處理器負(fù)載通常低于 5%。通過進(jìn)一步的算法開發(fā)，可以將 CPU 使用率降低到 2% 以下。

圖5.在軟件GPS接收器中，捕獲的RF信號(hào)必須被放大，頻率混合，然后數(shù)字化（a）。在實(shí)際接收器中，低噪聲放大器會(huì)增強(qiáng)RF信號(hào);然后，MAX2769將其混頻并數(shù)字化。最后，數(shù)據(jù)通過計(jì)數(shù)器和USB接口控制器傳輸，并插入U(xiǎn)SB協(xié)議以傳輸?shù)街鳈C(jī)PC（b）。

電路操作和性能

基于軟件的 GPS 接收器的射頻前端首先使用低噪聲放大器 （LNA） 放大微弱的輸入信號(hào)，然后將信號(hào)下變頻至大約 4MHz 的低中頻 （IF）（圖 5a）。這種下變頻是通過使用一個(gè)或兩個(gè)混頻器將輸入RF信號(hào)與本振信號(hào)混合來實(shí)現(xiàn)的。產(chǎn)生的模擬中頻信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)。

MAX2769集成了所有這些功能（LNA、混頻器和ADC），從而顯著縮短了應(yīng)用開發(fā)時(shí)間。該器件提供兩種 LNA 選擇：一種 LNA 具有極低的 0.9dB 噪聲系數(shù)、19dB 增益和 -1dBm IP3，適用于無源天線;另一個(gè)LNA的噪聲系數(shù)為1.5dB，增益和功耗略低，IP3略高，用于有源天線。2.8V 時(shí)的電流消耗最小，范圍為 13mA 至 18mA，具體取決于配置。

在放大器之后的RF上有一個(gè)外部濾波功能。然后，使用集成的 20 位 Σ-Δ 小數(shù) N 分頻頻率合成器和 15 位整數(shù)分頻器直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行下變頻，以實(shí)現(xiàn) 12 至 <>MHz 之間幾乎任何所需的 IF。多種可能的IF濾波選擇適應(yīng)不同的方案，例如伽利略的方案。

從RF輸入到IF輸出的總增益可以在60dB至115dB范圍內(nèi)調(diào)諧或自動(dòng)控制。輸出可選擇模擬、CMOS或有限差分。內(nèi)部ADC具有8至44位的可選輸出。集成基準(zhǔn)振蕩器支持使用晶體或溫度補(bǔ)償晶體振蕩器 （TCXO） 工作，可以使用 <>MHz 至 <>MHz 的任何輸入基準(zhǔn)頻率。

基于MAX2769和賽普拉斯半導(dǎo)體USB控制器，提供簡(jiǎn)單的USB加密狗參考設(shè)計(jì)，該控制器工作在24MHz基準(zhǔn)（圖5b）。加密狗采用單個(gè)MAX8510 LDO來調(diào)節(jié)直流電源。3線（SPI?）數(shù)字總線用于對(duì)MAX2769的寄存器進(jìn)行編程?；蛘?，系統(tǒng)可以在八種硬連線預(yù)配置狀態(tài)之一下運(yùn)行，無需SPI控制。

芯片上還有偏置有源天線的電路，然后在關(guān)斷模式下關(guān)閉該天線，以實(shí)現(xiàn)USB合規(guī)性。MAX2769可以檢測(cè)天線電源上是否存在電流消耗，并在LNA1和LNA2之間自動(dòng)切換。這種靈活性在支持插入更靈敏的外部有源天線代替集成無源天線的應(yīng)用中非常有用。設(shè)計(jì)人員只需將外部天線端口連接到 LNA2，將內(nèi)部端口連接到 LNA1。插入外部天線后，MAX2769檢測(cè)電流消耗，并自動(dòng)從LNA1切換到LNA2。

MAX2769多頻段GPS接收器為筆記本電腦、手機(jī)、PDA和汽車應(yīng)用提供高性能、緊湊的解決方案。使用市售的GPS軟件包，總標(biāo)稱電壓增益高達(dá)115dB，模塊噪聲系數(shù)為1.4dB，可提供-143dBm采集和-154dBm跟蹤靈敏度。

結(jié)論

軟件GPS技術(shù)為許多潛在應(yīng)用提供了高度的靈活性和簡(jiǎn)單性。為了支持這些可能性，MAX2769 GPS接收機(jī)RF前端為軟件GPS接收機(jī)的頻率規(guī)劃以及傳統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)提供了靈活性。當(dāng)然，每種解決方案都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) - 軟件GPS接收器需要高性能處理器和適量的內(nèi)存。但是，通過軟件開發(fā)以及正確選擇時(shí)鐘和數(shù)據(jù)更新速率，可以最大限度地減少內(nèi)存使用量。

審核編輯：郭婷