CN202916446U - 一种双频gps接收机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种双频GPS接收机，由天线、射频电路、中频电路、数字基带信号处理器、时钟电路、主震荡器、微处理器组成，其中射频电路用于将天线接收的GPS***L1和L2频段的卫星信号变频成中频信号；中频电路将中频信号作进一步频率转化并进行数字化采样；数字基带信号处理器与中频电路相连接，数字基带信号处理器中每个数字通道处理器接受一颗卫星发射的信号；微处理器与数字基带信号处理器相连，它完成从接受来的卫星信号中提取所需的导航信息。本实用新型接收机可以利用C/A码和L2C码提取L1波段和L2波段的载频，使民用双频接收机不再依靠***和半***技术，因此不受电磁环境和动态的限制。

Description

一种双频GPS接收机

技术领域

本实用新型涉及GPS接收机，尤其涉及一种可用于接收L1和L2频段的双频GPS接收机。 

背景技术

每个GPS卫星传输两个频谱波段，L波段传输的信号：一个以频率为f₁=1575.42MHz的L1波段和一个以频率为f₂=1227.6MHz的L2波段。这两个频率由频率为f₀=1.023MHz的基础频率相乘而来f₁=1540×f₀,f₂=1200×f₀。采用L1和L2两种频率来传输信号的一个原因是为了补偿信号在通过电离层时的延迟。开始的GPS***在L1波段传输C/A码和军方加密的P(Y)码，L2波段只传输军方加密的P(Y)码，所以最初的民用GPS只能采用L1波段的C/A码来进行定位，依靠电离层模型来修正GPS信号通过电离层带来的误差。随着GPS现代化的实施，美国开始在L2波段上新加载民用信号L2C码，L2C码由CM码和CL码经过双工调制而成，所以现在民用用户也可以采用L1信号和L2信号的双频接收机。 

目前民用接收机只能在L1一个波段上接收C/A码信号，基本只能用模型部分地消除电离层的影响，导致有效低的精度；一些特殊领域的高精度GPS接收机采用***和半***技术来恢复L2波段的载波，但是采用这些技术技术的接收机对载噪比的损失较大，使载波跳周概率上升，所以适用性受到限制。 

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种可用于接收L1和L2频段的双频GPS接收机。 

本实用新型的技术方案如下：一种双频GPS接收机，由天线、射 频电路、中频电路、数字基带信号处理器、时钟电路、主震荡器、微处理器组成，其特征在于：所述的射频电路将天线接收的GPS***L1和L2频段的卫星信号变频成中频信号； 

中频电路将中频信号作进一步频率转化并进行数字化采样； 

数字基带信号处理器与中频电路相连接，数字基带信号处理器中每个数字通道处理器接收一颗卫星发射的信号； 

微处理器与数字基带信号处理器相连，它完成从接收来的卫星信号中提取所需的导航信息。 

进一步，所述的主震荡器产生一个主时钟频率，本地的GPS时钟频率由主时钟频率变换得到，主震荡器与时钟电路相连，时钟电路产生本地载波频率LO1、LO2和本地时钟sclk信号。 

进一步，所述的时钟电路包括：一个频率锁相环1电路与输入的10MHz的主时钟相连，频率锁相环1电路产生本地载波频率LO1和LO2；一个频率锁相环2电路与输入的10MHz主时钟相连，频率锁相环2电路产生本地时钟sclk信号。 

进一步，所述的射频电路包括：一个信号分离模块，用于对来自天线的L1波段和L2波段的信号分离成两部分信号； 

一个带通滤波器1，与信号分离模块相连，这里对L1波段的信号进行滤波；一个低噪音放大器1，与带通滤波器1相连，对信号进行放大输出GPS L1信号；一个频率混合器，与低噪音放大器1相连接，将输出信号输入到一个带通滤波器1里；一个低噪音放大器1，与带通滤波器1相连接，用于将在第一级低噪音放大器1里的L1 GPS信号进行放大输出IF-L1信号； 

一个带通滤波器2，与信号分离模块相连，这里对L2波段的信号进行滤波；一个低噪音放大器2，与带通滤波器2相连，对信号进行放大输出GPS L2信号； 

一个频率混合器，与低噪音放大器2相连接，将输出信号输入到一个带通滤波器2里；一个低噪音放大器2，与带通滤波器2相连接，用于将在第一级低噪音放大器2的L2 GPS信号进行放大输出IF-L2信号。 

进一步，所述的中频电路，含有中频处理模块1和中频处理模块2，分别用于产生一对同相位的正交信号I_L1和Q_L1及一对同相位的正交信号I_L2和Q_L2。 

进一步，所述的中频处理模块1和中频处理模块2包括：一个信号分离模块，用于对输入的中频信号IF分离成两个部分IF1和IF2； 

一个频率混合器，与信号分离模块相连接，用于将IF1信号与本地同相位的时钟信号L02进行混频；一个带通滤波器1，与混频器相连接，用于将混频后的信号中的低频分量通过；一个低噪音放大器1，与带通滤波器1相连接，用于对低频分量的信号进行放大；一个A/D采样器1，与低噪音放大器1相连，用于对低频信号进行数字化采样输出I_L1； 

一个频率混合器，与信息分离模块相连接，用于将IF1信号与本地时钟L02进行90°相位变换的时钟信号进行混频；一个带通滤波器2，与混频器相连接，用于将混频后的信号的低频分量通过；一个低噪音放大器2，与带通滤波器2相连接，用于对低频分量的信号进行放大；一个A/D采样器2，与低噪音放大器2相连，用于对低频信号进行数字化采样输出Q_L1。 

进一步，所述的数字基带信号处理器包括： 

一个多路复用器1，用于将L1波段的信号分为几路I_L1和Q_L1信号；一个信号跟踪模块1，与多路复用器1相连接，用于对I_L1和Q_L1进行跟踪处理； 

一个多路复用器2，用于将L2波段的信号分为几路I_L2和Q_L2信号； 一个信号跟踪模块2，与多路复用器2相连接，用于对I_L2和Q_L2进行跟踪处理。 

进一步，所述的信号跟踪模块1包括： 

一个载频NCO，与两个载波相关器相连接，载频NCO通过微处理器控制形成载波跟踪环路； 

两个载波相关器分别对输入的L1信号的I路信号和Q路信号进行载波剥离，变换成直流DC形式的I和Q分量； 

三个码相关器与一个I路信号的载波相关器相连接，码相关器将直流形式的I和Q路信号相关产生三种形式的相关码，即超前、即时和延迟码; 

三个积分累加器1分别与三个码相关器相连接，积分累加器1将相关后的码进行积分累加，然后将累加值输入给微处理器； 

三个码相关器与一个Q路信号的载波相关器相连接，码相关器将直流形式的I和Q路信号相关产生三种形式的相关码，即超前、即时和延迟码; 

积分累加器1与微处理器相连接，微处理器控制积分累加器的积分时间； 

一个码NCO与一个码产生器和一个N比特的移位寄存器相连接，码NCO产生码产生器的时钟控制信号L₁f₁和移位寄存器的时钟控制信号L₁f₂； 

码产生器与N比特移位寄存器相连，码产生器产生C/A码； 

移位寄存器与码相关器相连接，移位寄存器产生本地相关码片，即超前、即时和延迟码； 

码NCO通过微处理器控制形成一个码跟踪环，微处理器通过积分累加器输入的反馈值对码NCO和载频NCO进行控制； 

码产生器与微处理器相连接，微处理器控制码产生器产生所需跟 踪卫星的C/A码； 

N比特移位寄存器与微处理器相连接，微处理器控制移位寄存器产生常规相关码片和窄相关码片。 

进一步，所述的信号跟踪模块2包括： 

一个载频NCO与两个载波相关器相连接，载频NCO通过微处理器控制形成载波跟踪环路； 

两个载波相关器分别对输入的L2号的I路信号和Q路信号进行载波剥离，变换成直流DC形式的I和Q分量； 

三个码相关器与一个I路信号的载波相关器相连接，码相关器将直流形式的I和Q路信号相关产生三种形式的相关码，即超前、即时和延迟码; 

三个积分累加器2分别与三个码相关器相连接，积分累加器2将相关后的码进行积分累加，然后将累加值输入给微处理器； 

三个码相关器与一个Q路信号的载波相关器相连接，码相关器将直流形式的I和Q路信号相关产生三种形式的相关码，即超前、即时和延迟码; 

积分累加器2与微处理器相连，微处理器控制累加器的积分时间和控制L2C码中CM码和CL码的累加状态； 

一个码NCO与一个码产生器和一个N比特的移位寄存器相连接，码NCO产生码产生器的时钟控制信号L₂f₁和移位寄存器的时钟控制信号L₂f₂； 

码产生器与N比特移位寄存器相连，码产生器产生L2C码； 

移位寄存器与码相关器相连接，移位寄存器产生本地相关码片，即超前、即时和延迟码； 

码NCO通过微处理器控制形成一个码跟踪环，微处理器通过积分累加器输入的反馈值对码NCO和载频NCO进行控制； 

码产生器与微处理器相连接，微处理器控制码产生器产生所需跟踪卫星的C/A码； 

N比特移位寄存器与微处理器相连接，微处理器控制移位寄存器产生常规相关码片和窄相关码片。 

本实用新型的有益效果是：本实用新型所述的双频接收机可以利用C/A码和L2C码提取L1波段和L2波段的载频，使民用双频接收机不再依靠***和半***技术，因此不受电磁环境和动态的限制。 

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图； 

图2为本实用新型时钟电路的结构示意图； 

图3、4为本实用新型射频电路结构示意图； 

图5为本实用新型中频电路结构示意图； 

图6为本实用新型中频处理模块结构示意图； 

图7为本实用新型中数字基带处理器的结构示意图； 

图8为本实用新型中信号跟踪模块结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明： 

请参阅图1，GPS卫星的L1和L2信号通过天线（1）接收。天线（1）具备接收L1波段和L2波段的能力，通过天线（1）接收放大的信号（11）输入到射频电路（2），射频电路（2）对卫星信号进行下变频输出中频信号IF-L1(201)和IF-L2（202），IF-L1和IF-L2在中频电路中（3）进行进一步的变频和数字化采样输出正交的L1和L2数字信号I_L1（301）、Q_L1（302）、I_L2（303）、Q_L2（304），数字化采样后的信号输入到数字基带信号处理器（4）中进行进一步的处理，数字基带信号处理器（4）与微处理器（7）相互通信，对卫星信号进 行捕获和跟踪。在微处理器（7）中对跟踪信息进行处理解算出用户的时间位置和速度等信息。射频电路（2）所用到的本地时钟LO1（51），中频电路（3）中使用的本地时钟LO2(52)以及在数字基带信号处理器（4）和中频电路（3）中同时使用的时钟信号sclk（53）由时钟电路（5）产生，时钟电路（5）接收本地振荡器（6）提供的主时钟（61）。 

请参阅图2，频率锁相环电路1（54）对主时钟信号（61）进行锁相及变频处理输出LO1(51)和LO2(52)信号，频率锁相电路2（55）对主时钟信号（61）进行锁相及变频处理输出时钟信号sclk（53）。 

请参阅图3和图4，天线（1）接收的信号（11）通过信号分离模块（203）分为两路信号，其中一路信号（204）通过一个中心频率为1575.42MHz，带宽BW=25MHz的带通滤波器1（205）输出L1波段的信号（206），该信号再通过一个低噪音放大器1（207）进行放大再输出L1信号（208）；另外一路信号（209）通过一个1227.6MHz，带宽BW=25MHz的带通滤波器2（210）输出L2波段的信号（211），该信号再通过一个低噪音放大器2（212）进行放大再输出L2信号（213）。 

L1信号（208）与本地时钟LO1信号（51）在混频器（215）进行混频作用，混频后的信号（216）通过一个中心频率为175.42MHz，带宽为BW=25MHz的带通滤波器1（217），滤波后的信号（218）经过一个低噪音放大器1（219）进行放大输出中频的L1信号IF_L1（201），L2信号（213）与本地时钟LO1信号（51）在混频器（222）进行混频作用，混频后的信号（223）通过一个中心频率为172.4MHz，带宽为BW=25MHz的带通滤波器2（224），滤波后的信号（225）经过一个低噪音放大器2（226）进行放大输出中频的L1信号IF_L2（202）。 

请参阅图5，中频信号IF-L1(201)在中频处理模块1（305）中通过本地时钟信号LO2（52）和本地时钟信号sclk（53）的控制下进行 进一步的变频，然后进行数字化采样输出正交的L1数字信号I_L1（301）、Q_L1（302）；中频信号IF-L1(201)在中频处理模块2（306）中通过本地时钟信号LO2（52）和本地时钟信号sclk（53）的控制下进行进一步的变频，然后进行数字化采样输出正交的L2数字信号I_L2（303）、Q_L2（304）。 

请参阅图6，中频信号IF（201）通过信号分离模块（307）分为两路信号，其中一路中频信号（308）与本地时钟信号LO2（52）在混频器（309）中进行混频，混频后的信号（310）通过一个带通滤波器1（311）进行滤波，滤波后的信号（312）再通过低噪音放大器1（313）进行功率放大，放大后的信号（314）再输入到A/D采样1（315）中进行数字化采样，其中A/D采样器1（315）在时钟信号sclk（53）的控制下进行数字化采样，采样后的信号即为数字中频信号I_L1（301）。另外一路中频信号（316）与正交的本地时钟信号（324）在混频器（317）中进行混频，其中本地时钟信号（324）由LO2信号（52）经过一个90°的相位转换器（325）进行相位变化得到的，混频后的信号（318）通过一个带通滤波器2（319）进行滤波，滤波后的信号（320）再通过低噪音放大器2（321）进行功率放大，放大后的信号（322）再输入到A/D采样器2（323）中进行数字化采样，其中A/D采样器2（323）在时钟信号sclk（53）的控制下进行数字化采样，采样后的信号即为数字中频信号Q_L1（302）。 

请参阅图7，L1波段的正交信号I_L1（301）和Q_L1（302）信号输入到多路复用器1（401）中，多路复用器1（401）在微处理器（7）输出的控制信号（71.3）的控制下选择其中一组I_L1（402）和Q_L1（403）信号输入到信号跟踪模块1（404）中，信号跟踪模块1（404）对信号进行进一步的处理然后与微处理器（7）进行相互通信（71.1），其中多路复用器1（401）和信号跟踪模块1（404）在本地时钟sclk（53） 的同步控制下；L2波段的正交信号I_L2（303）和Q_L2（304）信号输入到多路复用器2（405）中，多路复用器2（405）在微处理器（7）输出的控制信号（71.3）的控制下选择其中一组I_L2（406）和Q_L2（407）信号输入到信号跟踪模块2（408）中，信号跟踪模块2（408）对信号进行进一步的处理然后与微处理器（7）进行相互通信（71.2），其中多路复用器2（405）和信号跟踪模块2（408）在本地时钟sclk（53）的同步控制下。 

请参阅图8，载频NCO（422）在微处理器（7）的控制信号（71）的控制下输出一路本地载波（423）和另一路正交的本地载波（424）。本地载波（423）与输入的I路数字信号（402）在频率相关器（409）中进行频率相关，相关后的信号（410）输入到超前相关器（411.1）、即时相关器（411.2）和滞后相关器（411.3）分别与本地超前码（425）、即时码（426）和即时码（427）进行码相关，相关后的超前相关信号（412.1）、即时相关信号（412.2）和滞后相关信号（412.4）输入到积分累加器1（414）中进行积分累加，累加后的值（415）输入到微处理器（7）中进行处理，积分累加器1（414）受微处理器控制信号（71）控制； 

正交的本地载波（424）与输入的I路数字信号（403）在频率相关器（416）中进行频率相关，相关后的信号（417）输入到超前相关器（418.1）、即时相关器（418.2）和滞后相关器（418.3）分别与本地超前码（425）、即时码（426）和即时码（427）进行码相关，相关后的超前相关信号（419.1）、即时相关信号（419.2）和滞后相关信号（419.4）输入到积分累加器2（420）中进行积分累加，累加后的值（421）输入到微处理器（7）中进行处理，积分累加器2（420）受微处理器控制信号（71）控制； 

码NCO（429）在本地时钟sclk（53）和微处理器（7）的控制信 号（71）的控制下产生码发生器（433）时钟控制频率f₂（431）和移位寄存器（428）的时钟控制频率f₁（430）；N比特的移位寄存器（428）在微处理器（7）的控制信号（71）和时钟控制频率f₁（430）的控制下将码发生器（433）输出的本地码（432）产生本地超前码（425）、即时码（426）和即时码（427）；码发生器在微处理器控制信号（71）和时钟控制频率f₂（431）的控制下产生本地码（432）。 

Claims (2)

1.一种双频GPS接收机，由天线、射频电路、中频电路、数字基带信号处理器、时钟电路、主震荡器、微处理器组成，其特征在于：所述的射频电路将天线接收的GPS***L1和L2频段的卫星信号变频成中频信号；

中频电路将中频信号作进一步频率转化并进行数字化采样；

数字基带信号处理器与中频电路相连接，数字基带信号处理器中每个数字通道处理器接收一颗卫星发射的信号；

微处理器与数字基带信号处理器相连，完成从接收来的卫星信号中提取所需的导航信息。

2.根据权利要求1所述的一种双频GPS接收机，其特征在于：主震荡器产生一个主时钟频率，本地的GPS时钟频率由主时钟频率变换得到，主震荡器与时钟电路相连，时钟电路产生本地载波频率LO1、LO2和本地时钟sclk信号。

3. 根据权利要求2所述的一种双频GPS接收机，其特征在于：所述的时钟电路包括：一个频率锁相环电路1与输入的10MHz的主时钟相连，频率锁相环电路2产生本地载波频率LO1和LO2；一个频率锁相环电路2与输入的10MHz主时钟相连，频率锁相环电路2产生本地时钟sclk信号。

4. 根据权利要求1所述的一种双频GPS接收机，其特征在于：所述的射频电路包括：一个信号分离模块，用于对来自天线的L1波段和L2波段的信号分离成两部分信号；

一个带通滤波器1，与信号分离模块相连，这里对L1波段的信号进行滤波；一个低噪音放大器1，与带通滤波器1相连，对信号进行放大输出GPS L1信号；一个频率混合器，与低噪音放大器1相连接，将输出信号输入到一个带通滤波器1里；一个低噪音放大器1，与带通滤波器1相连接，用于将在第一级低噪音放大器1里的L1 GPS信号进行放大输出IF-L1信号；

一个带通滤波器2，与信号分离模块相连，这里对L2波段的信号进行滤波；一个低噪音放大器2，与带通滤波器2相连，对信号进行放大输出GPS L2信号；

一个频率混合器，与低噪音放大器2相连接，将输出信号输入到一个带通滤波器2里；一个低噪音放大器2，与带通滤波器2相连接，用于将在第一级低噪音放大器2的L2 GPS信号进行放大输出IF-L2信号。

5. 根据权利要求1所述的一种双频GPS接收机，其特征在于：所述的中频电路，含有中频处理模块1和中频处理模块2，分别用于产生一对同相位的正交信号I_L1和Q_L1及一对同相位的正交信号I_L2和Q_L2。

6. 根据权利要求5所述的一种双频GPS接收机，其特征在于：所述的中频处理模块1和中频处理模块2包括：一个信号分离模块，用于对输入的中频信号IF分离成两个部分IF1和IF2；

一个频率混合器，与信号分离模块相连接，用于将IF1信号与本地同相位的时钟信号L02进行混频；一个带通滤波器1，与混频器相连接，用于将混频后的信号中的低频分量通过；一个低噪音放大器1，与带通滤波器1相连接，用于对低频分量的信号进行放大；一个A/D采样器1，与低噪音放大器1相连，用于对低频信号进行数字化采样输出I_L1；

一个频率混合器，与信息分离模块相连接，用于将IF1信号与本地时钟L02进行90o相位变换的时钟信号进行混频；一个带通滤波器2，与混频器相连接，用于将混频后的信号的低频分量通过；一个低噪音放大器2，与带通滤波器2相连接，用于对低频分量的信号进行放大；一个A/D采样器2，与低噪音放大器2相连，用于对低频信号进行数字化采样输出Q_L1。

7. 根据权利要求1所述的一种双频GPS接收机，其特征在于：所述的数字基带信号处理器包括：

    一个多路复用器1，用于将L1波段的信号分为几路 I_L1和Q_L1信号；一个信号跟踪模块1，与多路复用器1相连接，用于对I_L1和Q_L1进行跟踪处理；

一个多路复用器2，用于将L2波段的信号分为几路I_L2和Q_L2信号；一个信号跟踪模块2，与多路复用器2相连接，用于对I_L2和Q_L2进行跟踪处理。

8. 根据权利要求7所述的一种双频GPS接收机，其特征在于：所述的信号跟踪模块1包括：

一个载频NCO，与两个载波相关器相连接，载频NCO通过微处理器控制形成载波跟踪环路；

两个载波相关器分别对输入的L1信号的I路信号和Q路信号进行载波剥离，变换成直流DC形式的I和Q分量；

三个码相关器与一个I路信号的载波相关器相连接，码相关器将直流形式的I和Q路信号相关产生三种形式的相关码，即超前、即时和延迟码;

三个积分累加器1分别与三个码相关器相连接，积分累加器1将相关后的码进行积分累加，然后将累加值输入给微处理器；

三个码相关器与一个Q路信号的载波相关器相连接，码相关器将直流形式的I和Q路信号相关产生三种形式的相关码，即超前、即时和延迟码;

积分累加器1与微处理器相连接，微处理器控制积分累加器的积分时间；

一个码NCO与一个码产生器和一个N比特的移位寄存器相连接，码NCO产生码产生器的时钟控制信号L₁f₁和移位寄存器的时钟控制信号L₁f₂；

码产生器与N比特移位寄存器相连，码产生器产生C/A码；

移位寄存器与码相关器相连接，移位寄存器产生本地相关码片，即超前、即时和延迟码；

码NCO通过微处理器控制形成一个码跟踪环，微处理器通过积分累加器输入的反馈值对码NCO和载频NCO进行控制；

码产生器与微处理器相连接，微处理器控制码产生器产生所需跟踪卫星的C/A码；

N比特移位寄存器与微处理器相连接，微处理器控制移位寄存器产生常规相关码片和窄相关码片。

9. 根据权利要求7所述的一种双频GPS接收机，其特征在于：所述的信号跟踪模块2包括：

一个载频NCO与两个载波相关器相连接，载频NCO通过微处理器控制形成载波跟踪环路；

两个载波相关器分别对输入的L2号的I路信号和Q路信号进行载波剥离，变换成直流DC形式的I和Q分量；

三个码相关器与一个I路信号的载波相关器相连接，码相关器将直流形式的I和Q路信号相关产生三种形式的相关码，即超前、即时和延迟码;

三个积分累加器2分别与三个码相关器相连接，积分累加器2将相关后的码进行积分累加，然后将累加值输入给微处理器；

三个码相关器与一个Q路信号的载波相关器相连接，码相关器将直流形式的I和Q路信号相关产生三种形式的相关码，即超前、即时和延迟码;

积分累加器2与微处理器相连，微处理器控制累加器的积分时间和控制L2C码中CM码和CL码的累加状态；

一个码NCO与一个码产生器和一个N比特的移位寄存器相连接，码NCO产生码产生器的时钟控制信号L₂f₁和移位寄存器的时钟控制信号L₂f₂；

码产生器与N比特移位寄存器相连，码产生器产生L2C码；

移位寄存器与码相关器相连接，移位寄存器产生本地相关码片，即超前、即时和延迟码；

码NCO通过微处理器控制形成一个码跟踪环，微处理器通过积分累加器输入的反馈值对码NCO和载频NCO进行控制；

码产生器与微处理器相连接，微处理器控制码产生器产生所需跟踪卫星的C/A码；

N比特移位寄存器与微处理器相连接，微处理器控制移位寄存器产生常规相关码片和窄相关码片。

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