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　　1 引言

　　高靈敏度衛星定位接收機主要由天線、射頻模塊、基帶模塊、pvt解算模塊與通信及應用模塊組成。如圖1所示。

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　　圖1 接收機結構框圖

　　衛星信號(中心頻率為gps、galileo l1波段1575.42mhz)通過天線(包括低噪放)和射頻模塊接收。其中射頻模塊將內部16.368mhz的高精度tcxo時鐘經過鎖相環96倍頻后將l1波段信號下變頻為4.092mhz模擬信號，并由該16.368mhz時鐘采樣，最后將4.092mhz的2位數字中頻信號傳給fpga模塊。為確保定位解算時間同步，同時將16.368mhz的時鐘作為fpga平臺的輸入時鐘。

　　基帶模塊fpga平臺將時鐘信號和數字信號進行相關運算處理，然后通過高速總線方式傳輸給pvt解算模塊進行位置解算，高速總線頻率為66mhz。

　　由于上述信號頻率較高且作為高靈敏度接收機，接收靈敏度需達到-144dbm。后端通信及應用模塊通過無線通信方式收到參考接收機的衛星星歷等信息數據并將該信息通過串口傳輸給pvt解算模塊，大大提高接收機的捕獲靈敏度。高速的信號如果完整性沒有處理好，將直接干擾前端射頻信號，從而大大影響整個接收機的性能。在硬件設計中重點考慮基帶部分高速信號傳輸線的反射和串擾效應，并通過pcb板的疊層設置和控制pcb線寬線距來解決產生的影響。

　　2 傳輸線理論分析

　　2.1 傳輸線阻抗

　　傳輸線用于將信號從一端傳輸到另一端。所有傳輸線都是由兩條一定長度的導線組成，其中一條為信號路徑，另一條為返回路徑。高速數字電路中傳輸線效應主要表現為數字信號的過沖、下沖和振鈴現象。這些現象不僅會使數字信號傳輸發生錯誤，嚴重的情況還可能破壞部分芯片和降低其他功能模塊的性能。這三種現象產生的根本原因是由于信號沿互連線傳播時受到的瞬態阻抗發生變化。該類變化的大小可以用反射系數來說明。

　　反射系數式(2-1)

　　z1表示信號最初所在區域的瞬態阻抗，z2表示信號進入區域的瞬態阻抗。由式(2-1)可知當瞬態阻抗相同時，反射系數為0;瞬態阻抗差異越大，反射信號就越大。由此可見，在pcb設計時只要控制好整板的傳輸線(即重要高速信號走線)的阻抗，就能使信號反射盡可能地減小。

　　2.2 傳輸線串擾

　　串擾指有害信號從一個網絡轉移到相鄰網絡。在pcb板中，我們通常把數據總線或者地址總線平行的點對點布線。當這些總線從邏輯高到低電平切換時會產生串擾。通過疊加分析，串擾所產生的噪聲超過信號電壓擺幅的15%時，就會影響整個系統的穩定性。所以對于總線上其中一條線對另一條靜態線之間的可容許耦合噪聲的分析將變的及其重要。邊緣場是引起串擾的根本原因。減小串擾的最主要途徑就是使網絡間的距離足夠遠，這樣可以把它們之間的邊緣場減小到可接受的水平。因此，在pcb設計時，總線的布線在結構允許的范圍內將線寬加大可以較顯著的減小傳輸線的串擾。

　　3 pcb板設計

　　3.1 電源、地平面分析和疊層分析

　　電路板的地平面和疊層設計將直接影響整個板子的性能。高速信號電流總是沿著最小電感路徑前進，返回信號電流趨向于信號導體的附近，電流密度隨著其相互距離增加的平方而下降，因此地平面和疊層設計將會大大改善信號的串擾。考慮整板采用10層板設計，具體設計和設置如圖2所示。對于電源層和地線層，全板的主電源為3.3v和1.2v，其中還有5v數字電源、3.3v模擬電源和2.5v的數字電源。

　　3.3v為單獨一層電源，另一電源層分割成1.2v和5v兩塊。3.3v模擬電源和2.5v數字電源通過走線層來完成。

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　　圖2 pcb板疊層及走線阻抗匹配設置圖

　　3.2 信號走線設置分析

　　信號層考慮阻抗匹配，選用單線阻抗為50ω，差分線阻抗為100ω。通過candence allegro pcb si gxl軟件的layout cross section來設計。考慮到機械尺寸匹配和物理承重等因素，整板厚度設計為2.1mm，并成對安排平面。該軟件能夠根據設置fr4介質和銅箔的厚度，確定單線50ω阻抗和差分線100ω阻抗的各層走線寬度。

　　4 建模仿真

　　在確定完地平面和疊層后，就可以進行建模和仿真。對于一個復雜的系統來說，對所有的信號進行仿真是不可能也是做不到的。提高系統性能的關鍵在于對某些特殊信號的仿真，做到在制板前能夠定量的了解和改善這些信號狀況，從而提高整個系統的性能。

　　接收機中的fpga采用片外sdram存儲，時鐘頻率為100mhz。sdram模塊的時鐘線、地址線和數據線必須做仿真。由于數字總線采用64位寬，因此選用4片16bit的sdram芯片。

　　首先通過網上下載fpga stratix2和sdram pc256_sdr的ibis文件庫，將芯片資料導入工具后建立的模型如圖3所示。其中u35為fpga芯片，u36、u37、u38和u39為sdram芯片。對應的tl1、tl2、tl3、tl4和tl5默認為pcb板上曼哈頓長度的微帶線。

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　　圖3 ibis模型線路圖

　　首先對時鐘線進行仿真，如圖4可以看到當r206選為0歐姆電阻或者不使用匹配電阻時，此時的傳輸線特性阻抗為連續的50歐姆，阻抗不匹配，仿真的波形有反射且造成較大的失真。

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　　圖4 阻抗不連續波形圖

　　根據上面提到的傳輸線反射理論，當傳輸線阻抗不發生變化時，反射系數為0，因此將電阻r206阻值改為50歐姆后得到如圖5所示。

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　　圖5 阻抗連續波形圖

　　由此可見，當傳輸線匹配的情況下，信號完整性很好，反射幾乎為0。

　　5 結束語

　　該pcb板最終設計完成、調試通過，最終完成高靈敏度衛星導航接收機的所有功能。在工程電路設計前對整個電路的分析把握尤為關鍵，是確保能夠順利完成的重要前提。對于高速數字電路部分必須對關鍵信號進行模擬仿真，這樣才能大大縮短產品的研發周期。