射频前端IC简化软件GPS接收器
本文研究了l1频段民用gps应用中基于软件的接收器的基本理论，包括对信号采集和跟踪的讨论，以及接收器中位同步的需求。此外，还简要介绍了l1频段gps接收器max2741，该接收器用作接收器的紧凑且价格低廉的rf前端。
用于全球定位系统（gps）的软件技术1, 2最近引起了通信和导航工程师日益增长的兴趣。得益于vlsi的发展，强大的cpu和dsp现在能够使用软件实时检测和解码gps信号。由此产生的基于软件的gps接收器在修改设置以适应新应用方面提供了相当大的灵活性，无需重新设计硬件，对不同的频率计划使用相同的电路板设计，并实施未来的升级。本文重点介绍软件gps接收机基本理论的cdma通信方面。对于导航消息的解码和位置计算，感兴趣的读者可以参考james bao-yen tsui的书，全球定位系统接收器的基础：一种软件方法。3
gps系统由24颗空间卫星或航天器（每颗由唯一的prn代码标识）、一个地面控制站和用户设备（接收器）组成。对于民用gps应用，卫星通过位于1.1ghz的l57542频段进行通信。
gps接收器需要至少四颗卫星的视线“可见性”才能建立可靠的位置。信号的采集和跟踪非常复杂，因为每个信号都随时间和接收器位置而变化。基于软件的gps接收器（图1）的rf前端首先使用低噪声放大器（lna）放大微弱的输入信号，然后将信号下变频至约4mhz的低中频（if）。这种下变频是通过使用一个或两个混频器将输入rf信号与本振信号混合来实现的。产生的模拟中频信号通过模数转换器（adc）转换为数字中频信号。
图1.软件 gps 接收器的简化图。
maxim在max2741中集成了该硬件（lna、混频器和adc），从而显著缩短了应用开发时间。其两级接收器放大入射1575.42mhz gps信号，将其下变频至37.38mhz的第一中频，进一步放大，然后下变频至3.78mhz的第二中频。内部2位或3位adc（可选择为具有1位或1位幅度的2位符号）对第二个if进行采样，并将数字化信号输出到基带处理器。集成的频率合成器可实现灵活的频率规划，只需更改设置，即可在同一块电路板上实现 2mhz 和 26mhz 之间的许多常用参考频率。集成的基准振荡器支持使用晶体或温度补偿晶体振荡器 （tcxo） 进行操作。
传统的 gps 接收器在 asic 中实现采集、跟踪和位同步操作，但软件 gps 接收器通过在软件而不是硬件中实现这些模块来提供灵活性。通过简化硬件架构，软件使接收器更小、更便宜、更节能。您可以使用 c/c++、matlab 和其他语言编写软件，并将其移植到所有操作系统（嵌入式操作系统、pc、linux 和 dsp 平台）中。因此，软件gps接收器为移动手机、pda和类似应用提供了最大的灵活性。®
全球定位系统信号
我们只考虑位于 1ghz 的知名 l1 频段上的民用 gps 信号，频率为 57542.ghz。gps系统实际上是一个简单的扩频通信系统。4民用应用的信号发生模块如图2所示。首先，将 50bps 的导航消息重复 20 次以产生 1000bps 的比特流。然后，重复信号通过长度为1023个芯片的唯一c / a代码进行传播（芯片是应用伪随机噪声码的速率）。结果是每秒 1.023 兆比特 （mbps） 的基带信号。因此，gps系统的43db处理增益（g）允许其分辨远低于热噪声水平的信号。
图2.民用gps信号的结构。
每颗卫星都被分配了一个唯一的c/a代码，也称为黄金代码。5由于黄金代码表现出优异的自相关和互相关特性，因此广泛用于cdma通信系统，如wcdma，cdma2000等。基带信号通过二进制相移键控（bpsk）进行调制，并上变频至l1频段进行传输。®
收购
由于gps是cdma通信系统，因此接收器必须同步伪随机噪声（prn）代码，作为解调数据的先决条件。代码同步通常分两步实现：用于粗码对齐的代码采集和用于精细对齐的代码相位跟踪。6
更明确地说，gps接收器必须首先确定它是否对某些卫星具有视线可见性。众所周知，每颗卫星都由唯一的c / a代码区分。当卫星可见时，采集确定信号的频率和码相位，进而建立相应的解调参数。接收信号频率因多普勒效应而异7，这会导致频率偏离其标称值 5khz 至 10khz，具体取决于卫星相对于接收器的速度。
信号采集的目的是粗略地确定载波频率和c/a码相位，c/a码相位表示数据块中c/a码的开始。常见的采集方法包括串行搜索，由于其简单的逻辑架构，它是硬件实现的理想选择，以及频域并行码相采集，其低计算复杂度使其适用于软件实现。
串行搜索模式的框图（图3）显示，接收到的信号首先下变频为同相和正交（i和q）分量。然后，一对i-q相关器将i和q基带信号与本地生成的prn序列相关联。在一位的持续时间内积分后，i-q相关器输出相加以提供输出决策变量。
图3.时域中的串行搜索采集。
每当决策变量超过某个阈值时，系统就会假定相应的采集成功，并进入跟踪模式。否则，调整局部生成的prn序列的相对相位和振荡器频率以更新决策变量，并重复上述过程。串行搜索方法的简单逻辑结构使其在asic中实现是可行的，但对于软件实现，由于搜索空间巨大，因此不实用。假设系统容许500hz载波频率偏移，多普勒频率为10khz，则软件实现的搜索空间约为2×（10000/500）×1023 = 40，920。显然，在软件中进行串行搜索采集是困难的。
另一种采集方法称为频域并行码相采集，在软件实现中复杂度较低（图 4）。基本原理是将多普勒频率和码相搜索合二为一，在prn码的fft变换之后，将所有码相信息反映到频域中。然后，我们只需要搜索多普勒频率偏移上的空间，从而实现快速有效的软件搜索。
图4.频域中的并行搜索采集。
首先，将输入信号分别乘以本地产生的正弦和余弦载波（i和q信号分量）。然后，i和q分量组合为fft模块的复数输入。此傅里叶变换的结果乘以 prn 码的 fft 变换的共轭（prn 生成器生成具有零码相位的代码）。在实践中，可以将fft操作和prn代码的生成制成表格，以降低计算复杂性。
最后，输入信号和本地代码的乘积（表示输入频率和载波频率之间的校正）应用于傅里叶逆变换，其平方输出反馈到决策逻辑。基于fft的频域已被证明是计算的低消耗者。对于前面提到的示例，采集的复杂性大约为 20000/500 = 40 fft 操作。图5显示了基于fft的并行码采集，用于可见（a）和不可见（b）卫星的情况。
图5.相关器输出，用于当卫星可见（a）和不可见（b）时基于fft的并行码采集。
因此，串行搜索方法具有方便的asic实现所需的简单逻辑和控制架构。然而，巨大的搜索空间给软件算法带来了复杂性。因此，串行搜索方法不是软件gps接收器的好选择。相比之下，并行代码采集方法的低复杂度使其成为软件实现的理想选择。然而，它的逻辑架构比串行搜索方法复杂得多，因此很难在asic中实现。
跟踪
采集可建立 gps 信号频率和码相参数的粗略对齐。因此，跟踪的目的是优化这种对齐，以便系统可以使用精确的码相位和频率信息解调数据。跟踪包括码相跟踪和载频跟踪。代码跟踪是通过图 6 所示的延迟锁紧循环 （dll） 完成的。
图6.代码阶段跟踪技术。
dll 电路将输入信号乘以 prn 代码的三个本地副本（时间定位在 ±0.5 芯片），它们表示相对于输入信号的早期、提示和延迟到达。积分后，这些信号中的每一个都表示输入信号与本地副本之间的相关性。然后选择并保留具有最高相关值的那个（图 7）。载波频率跟踪由锁相环（pll）或costas环路执行。8载波跟踪的目的是将本地生成的频率调整到输入信号的确切频率。
图7.这些波形说明了图6电路的工作原理。
解调和位同步
在采集和跟踪建立初始同步后，可以解码导航位。数据解调首先将1.023mbps输入信号解扩为1000bps位流。然后调用位同步以从 50bps 流中恢复 1000bps 信息。
对于位同步，我们首先需要确定时间上位的开始。这是通过找到过零边沿（0v）来实现的，该边沿表示位的开始。当知道该边沿时，我们可以以 1000ms 的间隔对 20bps 的输入流进行分区，因为我们知道导航数据消息（50 位）的持续时间为 20ms（图 8）。最后，对间隔为20ms的位样本求和并取平均值，以解码导航数据。
图8.位同步的注册方法。
结论
本文简要介绍了有关软件gps接收机的某些主题，包括gps信号结构，采集，跟踪和位同步。软件gps技术为许多潜在应用提供了高度的灵活性和简单性。为了支持这些可能性，max2741紧凑、价格低廉的rf前端为软件gps接收器和传统硬件实现的频率规划提供了灵活性。当然，每种解决方案都有其优点和缺点 - 软件gps接收器需要高性能处理器和适量的内存。
进入Chiplet时代，设计将发生哪些转变？
理想运算放大器的“虚短”和“虚断”特性介绍
工业互联网基础设施建设按下“加速键”
2019年的5G手机是“尝鲜机”，售价高且不成熟
三大运营商明确了各自在2018年的发展方向和战略重点
射频前端IC简化软件GPS接收器
华为云CDN加速服务，引领企业数字化发展潮流！
衡量网络性能的四大关键：带宽、时延、抖动、丢包
一款优质前级音调电路,NE5532 Tone circuit
英飞凌与Rainforest Connection合作，利用先进的传感器技术保护雨林
基于单片集成锁相环路芯片CX72300实现宽频带低噪声频率合成器的设计
赛门铁克推出面向工业控制系统安全的神经网络解决方案
使用Arduino和蓝牙的手机控制交流电的教程
Modbus网关钡铼BL101使用教程一：采集从机步骤
串行通信口软件编程
电气控制回路设计中的竞争与冒险问题
开发者案例：使用ESP8266模块DIY一个热水器控制器之（1）硬件篇
ThinkBook14s评测 彰显不凡实力随时秀出个性
电烙铁贴片焊接方法及注意事项
区块链技术将开启21世纪“智能都市”的时代
用于全球定位系统（gps）的软件技术1, 2最近引起了通信和导航工程师日益增长的兴趣。得益于vlsi的发展，强大的cpu和dsp现在能够使用软件实时检测和解码gps信号。由此产生的基于软件的gps接收器在修改设置以适应新应用方面提供了相当大的灵活性，无需重新设计硬件，对不同的频率计划使用相同的电路板设计，并实施未来的升级。本文重点介绍软件gps接收机基本理论的cdma通信方面。对于导航消息的解码和位置计算，感兴趣的读者可以参考james bao-yen tsui的书，全球定位系统接收器的基础：一种软件方法。3
gps系统由24颗空间卫星或航天器（每颗由唯一的prn代码标识）、一个地面控制站和用户设备（接收器）组成。对于民用gps应用，卫星通过位于1.1ghz的l57542频段进行通信。
gps接收器需要至少四颗卫星的视线“可见性”才能建立可靠的位置。信号的采集和跟踪非常复杂，因为每个信号都随时间和接收器位置而变化。基于软件的gps接收器（图1）的rf前端首先使用低噪声放大器（lna）放大微弱的输入信号，然后将信号下变频至约4mhz的低中频（if）。这种下变频是通过使用一个或两个混频器将输入rf信号与本振信号混合来实现的。产生的模拟中频信号通过模数转换器（adc）转换为数字中频信号。
图1.软件 gps 接收器的简化图。
maxim在max2741中集成了该硬件（lna、混频器和adc），从而显著缩短了应用开发时间。其两级接收器放大入射1575.42mhz gps信号，将其下变频至37.38mhz的第一中频，进一步放大，然后下变频至3.78mhz的第二中频。内部2位或3位adc（可选择为具有1位或1位幅度的2位符号）对第二个if进行采样，并将数字化信号输出到基带处理器。集成的频率合成器可实现灵活的频率规划，只需更改设置，即可在同一块电路板上实现 2mhz 和 26mhz 之间的许多常用参考频率。集成的基准振荡器支持使用晶体或温度补偿晶体振荡器 （tcxo） 进行操作。
传统的 gps 接收器在 asic 中实现采集、跟踪和位同步操作，但软件 gps 接收器通过在软件而不是硬件中实现这些模块来提供灵活性。通过简化硬件架构，软件使接收器更小、更便宜、更节能。您可以使用 c/c++、matlab 和其他语言编写软件，并将其移植到所有操作系统（嵌入式操作系统、pc、linux 和 dsp 平台）中。因此，软件gps接收器为移动手机、pda和类似应用提供了最大的灵活性。®
全球定位系统信号
我们只考虑位于 1ghz 的知名 l1 频段上的民用 gps 信号，频率为 57542.ghz。gps系统实际上是一个简单的扩频通信系统。4民用应用的信号发生模块如图2所示。首先，将 50bps 的导航消息重复 20 次以产生 1000bps 的比特流。然后，重复信号通过长度为1023个芯片的唯一c / a代码进行传播（芯片是应用伪随机噪声码的速率）。结果是每秒 1.023 兆比特 （mbps） 的基带信号。因此，gps系统的43db处理增益（g）允许其分辨远低于热噪声水平的信号。
图2.民用gps信号的结构。
每颗卫星都被分配了一个唯一的c/a代码，也称为黄金代码。5由于黄金代码表现出优异的自相关和互相关特性，因此广泛用于cdma通信系统，如wcdma，cdma2000等。基带信号通过二进制相移键控（bpsk）进行调制，并上变频至l1频段进行传输。®
收购
由于gps是cdma通信系统，因此接收器必须同步伪随机噪声（prn）代码，作为解调数据的先决条件。代码同步通常分两步实现：用于粗码对齐的代码采集和用于精细对齐的代码相位跟踪。6
更明确地说，gps接收器必须首先确定它是否对某些卫星具有视线可见性。众所周知，每颗卫星都由唯一的c / a代码区分。当卫星可见时，采集确定信号的频率和码相位，进而建立相应的解调参数。接收信号频率因多普勒效应而异7，这会导致频率偏离其标称值 5khz 至 10khz，具体取决于卫星相对于接收器的速度。
信号采集的目的是粗略地确定载波频率和c/a码相位，c/a码相位表示数据块中c/a码的开始。常见的采集方法包括串行搜索，由于其简单的逻辑架构，它是硬件实现的理想选择，以及频域并行码相采集，其低计算复杂度使其适用于软件实现。
串行搜索模式的框图（图3）显示，接收到的信号首先下变频为同相和正交（i和q）分量。然后，一对i-q相关器将i和q基带信号与本地生成的prn序列相关联。在一位的持续时间内积分后，i-q相关器输出相加以提供输出决策变量。
图3.时域中的串行搜索采集。
每当决策变量超过某个阈值时，系统就会假定相应的采集成功，并进入跟踪模式。否则，调整局部生成的prn序列的相对相位和振荡器频率以更新决策变量，并重复上述过程。串行搜索方法的简单逻辑结构使其在asic中实现是可行的，但对于软件实现，由于搜索空间巨大，因此不实用。假设系统容许500hz载波频率偏移，多普勒频率为10khz，则软件实现的搜索空间约为2×（10000/500）×1023 = 40，920。显然，在软件中进行串行搜索采集是困难的。
另一种采集方法称为频域并行码相采集，在软件实现中复杂度较低（图 4）。基本原理是将多普勒频率和码相搜索合二为一，在prn码的fft变换之后，将所有码相信息反映到频域中。然后，我们只需要搜索多普勒频率偏移上的空间，从而实现快速有效的软件搜索。
图4.频域中的并行搜索采集。
首先，将输入信号分别乘以本地产生的正弦和余弦载波（i和q信号分量）。然后，i和q分量组合为fft模块的复数输入。此傅里叶变换的结果乘以 prn 码的 fft 变换的共轭（prn 生成器生成具有零码相位的代码）。在实践中，可以将fft操作和prn代码的生成制成表格，以降低计算复杂性。
最后，输入信号和本地代码的乘积（表示输入频率和载波频率之间的校正）应用于傅里叶逆变换，其平方输出反馈到决策逻辑。基于fft的频域已被证明是计算的低消耗者。对于前面提到的示例，采集的复杂性大约为 20000/500 = 40 fft 操作。图5显示了基于fft的并行码采集，用于可见（a）和不可见（b）卫星的情况。
图5.相关器输出，用于当卫星可见（a）和不可见（b）时基于fft的并行码采集。
因此，串行搜索方法具有方便的asic实现所需的简单逻辑和控制架构。然而，巨大的搜索空间给软件算法带来了复杂性。因此，串行搜索方法不是软件gps接收器的好选择。相比之下，并行代码采集方法的低复杂度使其成为软件实现的理想选择。然而，它的逻辑架构比串行搜索方法复杂得多，因此很难在asic中实现。
跟踪
采集可建立 gps 信号频率和码相参数的粗略对齐。因此，跟踪的目的是优化这种对齐，以便系统可以使用精确的码相位和频率信息解调数据。跟踪包括码相跟踪和载频跟踪。代码跟踪是通过图 6 所示的延迟锁紧循环 （dll） 完成的。
图6.代码阶段跟踪技术。
dll 电路将输入信号乘以 prn 代码的三个本地副本（时间定位在 ±0.5 芯片），它们表示相对于输入信号的早期、提示和延迟到达。积分后，这些信号中的每一个都表示输入信号与本地副本之间的相关性。然后选择并保留具有最高相关值的那个（图 7）。载波频率跟踪由锁相环（pll）或costas环路执行。8载波跟踪的目的是将本地生成的频率调整到输入信号的确切频率。
图7.这些波形说明了图6电路的工作原理。
解调和位同步
在采集和跟踪建立初始同步后，可以解码导航位。数据解调首先将1.023mbps输入信号解扩为1000bps位流。然后调用位同步以从 50bps 流中恢复 1000bps 信息。
对于位同步，我们首先需要确定时间上位的开始。这是通过找到过零边沿（0v）来实现的，该边沿表示位的开始。当知道该边沿时，我们可以以 1000ms 的间隔对 20bps 的输入流进行分区，因为我们知道导航数据消息（50 位）的持续时间为 20ms（图 8）。最后，对间隔为20ms的位样本求和并取平均值，以解码导航数据。
图8.位同步的注册方法。
结论
本文简要介绍了有关软件gps接收机的某些主题，包括gps信号结构，采集，跟踪和位同步。软件gps技术为许多潜在应用提供了高度的灵活性和简单性。为了支持这些可能性，max2741紧凑、价格低廉的rf前端为软件gps接收器和传统硬件实现的频率规划提供了灵活性。当然，每种解决方案都有其优点和缺点 - 软件gps接收器需要高性能处理器和适量的内存。
进入Chiplet时代，设计将发生哪些转变？
理想运算放大器的“虚短”和“虚断”特性介绍
工业互联网基础设施建设按下“加速键”
2019年的5G手机是“尝鲜机”，售价高且不成熟
三大运营商明确了各自在2018年的发展方向和战略重点
射频前端IC简化软件GPS接收器
华为云CDN加速服务，引领企业数字化发展潮流！
衡量网络性能的四大关键：带宽、时延、抖动、丢包
一款优质前级音调电路,NE5532 Tone circuit
英飞凌与Rainforest Connection合作，利用先进的传感器技术保护雨林
基于单片集成锁相环路芯片CX72300实现宽频带低噪声频率合成器的设计
赛门铁克推出面向工业控制系统安全的神经网络解决方案
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Modbus网关钡铼BL101使用教程一：采集从机步骤
串行通信口软件编程
电气控制回路设计中的竞争与冒险问题
开发者案例：使用ESP8266模块DIY一个热水器控制器之（1）硬件篇
ThinkBook14s评测 彰显不凡实力随时秀出个性
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区块链技术将开启21世纪“智能都市”的时代