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软件接收器技术经常被用在军用战术无线设备中，但这种技术对L1波段民用全球定位系统(GPS)接收机也很有用。当然，低成本射频(RF)接收机电路也还是需要的，美信集成产品公司的MAX2741芯片就适合用作这种接收机内便宜而又紧凑的RF前端。 

        用于软件GPS技术逐渐被用在各种通信和导航系统中，提供定位功能。由于超大规模集成(VLSI)技术的发展，采用强大的CPU和DSP的GPS接收机可以在软件的帮助下实时接收和解码GPS信号。这些基于软件GPS接收机具有相当大的灵活性，它不需要重新设计硬件，只要修改设置参数就能适应新的要求，这样相同的电路板设计可以满足不同频率规划要求，非常方便日后的升级。作为示例，本文将重点讨论在码分复用(CDMA)通信系统中集成GPS功能所面临的挑战。 

        一个完整的GPS系统包括卫星群、地面控制站和用户设备(接收机)。在卫星群中有24颗卫星，每颗卫星都有唯一的伪随机噪声(PRN)码。对民用GPS系统来说，这些卫星通过频率为1.57542GHz的L1波段进行通信。 

        GPS接收机必须捕获到至少4颗卫星的信号才能进行可靠定位。信号的捕获和跟踪非常复杂，因为每颗卫星和接收机的位置时刻都在变化。软件GPS接收机(图1a)的射频前端首先用低噪声放大器(LNA)放大微弱的输入信号，然后经过下变频转换成较低频率(约4MHz)的中频(IF)信号。下变频通过超外差技术实现，即将输入的射频信号与本振(LO)信号进行混频，并采用一级或两级混频电路进行转换。生成的模拟中频信号再通过模数转换器(ADC)转换成数字中频信号。

图1：(a) 简化的软件GPS接收机框图；(b) 民用GPS系统的信号发生模块图。

开发时间 

        为显著缩短GPS系统的开发时间，可以采用在单片内集成LNA、混频器和ADC的MAX2741芯片。这款具有两级混频电路的接收器芯片能支持-185dBW的接收灵敏度，可成功实现GPS室内接收和定位。该IC具有80dB的级联增益和4.7dB的级联噪声系数。它的中频自动增益控制(AGC)范围为50dB，接收端可以容忍的CDMA带外干扰高达+13dB，带内干扰达-90dBm。MAX2741采用28引脚的QFN薄型封装，工作电压为2.7V到3.0V，具有SPI控制接口。 

        L1波段GPS接收器MAX2741可以放大超过其灵敏度的1575.42MHz输入GPS信号，然后将此信号下变频为37.38MHz的第一级中频信号，接着再放大，然后下变频为3.78MHz的第二级中频信号。内部的2或3位ADC(可选择1位符号位，1或2位输入幅值)对第二级中频信号进行采样，并将数字化信号输出给基带处理器。集成的频率合成器能执行灵活的频率规划，从而允许在同一个GPS电路板上通过改变设置参数提供2~26MHz范围内的任何固定参考频率。集成的参考频率振荡器可以基于晶振或温补晶振(TCXO)。 

        传统的GPS接收机采用ASIC实现信号捕获、跟踪和位同步操作，但软件GPS接收机利用软件代替硬件来实现这些功能，因此具有更好的灵活性。通过简化硬件架构，软件可以使接收机更小、更便宜、具有更高功效。软件可以用C/C++、MATLAB和其它语言来编写，并且可以移植到各种操作系统(嵌入式操作系统、PC、Linux和DSP平台)上。这样，软件GPS接收机可以为移动手机、便携式数字助理(PDA)和类似设备提供最大的灵活性。 

        对民用L1波段应用来说，GPS系统实际上是一个简单的扩频通信系统。图1b是民用GPS系统的信号发生模块图。首先，50bps的导航消息被重复20次，形成1,000bps的比特流，然后这个重复信号被长度为1023码片(伪随机噪声码的码速)的唯一粗捕获码(C/A码)进行扩频，形成每秒1.023兆码片的基带信号。采用这种扩频方法后，GPS系统的总处理增益(PG)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通信系统，如WCDMA、CDMA2000和其它变种系统。基带信号经过二元相移键控(BPSK)调制后上变频到L1波段进行传输。 

        因为GPS是一种CDMA通信系统，所以作为解调数据的先决条件，接收机必须与伪随机噪声(PRN)码同步。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获和用来实现精细对准的代码相位跟踪。 

        更明确的讲，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。每颗卫星由唯一的C/A码(Gold码)来区分。当卫星可视时，由捕获过程判断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器的速度，接收信号的频率一般会偏移标称值5到10kHz。

信号捕获 

        信号捕获的目的是粗略地确定指示C/A码在数据块中起始位置的载波频率和C/A代码相位。常用的捕获方法包括串行搜索法和频域并行代码相位捕获法，前者的逻辑架构简单，适合用硬件实现，后者的运算复杂度低，适合用软件实现。 

        串行搜索模式框图(图2a)显示，接收到的信号首先被下变频为同相和正交(I/Q)分量信号，再由一对I/Q相关器将I/Q基带信号与本地伪随机序列进行相关运算。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。

图2：(a) 在串行搜索模式中，接收到的信号被下变频为I/Q分量信号；(b) GPS接收机的代码跟踪用延时锁相环来实现。