在商用和專用無線應(yīng)用中，全球定位衛(wèi)星的L1波段信號(hào)最微弱。GPS接收機(jī)天線收到的信號(hào)功率通常都淹沒在熱噪聲基底中。為成功地恢復(fù)出這些微弱信號(hào)，接收機(jī)必須具有足夠高的接收靈敏度，并能抑制帶外干擾。本文主要討論在設(shè)計(jì)一個(gè)外圍元件很少的低成本商用GPS接收機(jī)時(shí)應(yīng)該考慮的關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)。這種系統(tǒng)的目標(biāo)接收靈敏度為-139dBm。

全球定位系統(tǒng)(GPS)是一種精密的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由美國國防部投資構(gòu)建。該系統(tǒng)由24顆繞地球旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星連續(xù)不斷地發(fā)送位置和時(shí)間信息。這些衛(wèi)星均勻地分布在6個(gè)軌道上，每個(gè)軌道有4 顆衛(wèi)星。地面GPS接收機(jī)可接收5到12顆衛(wèi)星信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)地面定位功能，GPS接收機(jī)至少需要接收4個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，其中3個(gè)信號(hào)用來計(jì)算GPS接收機(jī)的緯度、經(jīng)度和海拔高度，第四個(gè)信號(hào)提供同步時(shí)間校準(zhǔn)[1]。

如圖1所示，每顆衛(wèi)星都在兩個(gè)載波上發(fā)送獨(dú)立的直序擴(kuò)頻(DSSS)信號(hào)。之所以使用擴(kuò)頻技術(shù)，是因?yàn)樗哂泻芎玫目拐瓗Ц蓴_能力。第一個(gè)載波頻率駐留在L1波段(中心頻率為1575.42MHz)，另一個(gè)載波頻率駐留在L2波段(中心頻率為1227.6MHz)。L1波段主要用于民用設(shè)備，包含兩個(gè)信號(hào)。一個(gè)為粗略測(cè)距捕獲碼(C/A碼)，另一個(gè)為精確測(cè)距碼(P碼)。L2波段僅用于軍事設(shè)備，只有P碼。所有24顆衛(wèi)星的L1波段衛(wèi)星信號(hào)都能夠占用相同頻段而互不干擾，經(jīng)過上變頻發(fā)射后，它們都通過32種偽隨機(jī)噪聲(PRN)碼中的1種擴(kuò)頻到2.046MHz帶寬上。

圖1. L1和L2波段中P碼和C/A碼GPS信號(hào)

通過PRN碼擴(kuò)頻后的GPS信號(hào)不但可以與其它信號(hào)區(qū)分開來，而且還具有抗干擾能力。抗干擾能力主要取決于系統(tǒng)的處理增益。處理增益越高，GPS信號(hào)的擴(kuò)展頻帶就越寬。如果將信號(hào)擴(kuò)展到很寬的頻帶，信號(hào)受窄帶干擾破壞的幾率將大大降低。信號(hào)經(jīng)過解擴(kuò)后，窄帶干擾被擴(kuò)展。對(duì)GPS應(yīng)用來說，每個(gè)PRN碼序列的長度為1023位，擴(kuò)頻率為1.023Mbps [2]。處理增益被定義為：

處理增益 = 10 log (碼片率/數(shù)據(jù)速率) = 43dB     (式1)

本例中，碼片率 = 1.023Mcps，數(shù)據(jù)速率 = 50bps。

解擴(kuò)后GPS信號(hào)的質(zhì)量決定了GPS接收機(jī)的精度，它由比特誤碼率(BER)來量化。假設(shè)要求基帶處理器的BER為10-5，則用于BPSK調(diào)制的相關(guān)器的Eb/N0不小于9.5dB (AWGN受控) [3]。Eb/N0定義為每比特能量與噪聲譜密度的比值。從所要求的9.5dB的相關(guān)器Eb/N0中減去43dB的處理增益，可以得到相關(guān)器輸入端的信噪比(SNR)為-33.5dB。假設(shè)軟件GPS的工作損耗為3.5dB，則量化器輸入端的信噪比(SNRQUANTIZER)為-30dB。在整個(gè)2.046MHz采樣帶寬內(nèi)，總體噪聲功率(kTB，T = +290°K)近似為-111dBm。為獲得-139dBm的目標(biāo)靈敏度，需要接收機(jī)的串聯(lián)噪聲系數(shù)(NF)等于-28dB的天線端信噪比(SNRANTENNA = -139dBm/-111dBm)與-30dB的SNRQUANTIZER之差。

NF = SNRANTENNA - SNRQUANTIZER = -28dB - (-30dB) = 2dB     (式2)

隨著GPS應(yīng)用成為手機(jī)及其它個(gè)人手持設(shè)備集成方案的一部分，同一單元電路在不同應(yīng)用中的干擾承受能力非常關(guān)鍵。評(píng)估抗干擾能力的一種方法是測(cè)量接收機(jī)靈敏度降低-1dB時(shí)的參數(shù)。以一個(gè)具有GPS功能的CDMA雙頻手機(jī)為例：CDMA手機(jī)功率放大器的典型發(fā)射功率為+25dBm，假設(shè)采用三頻濾波器和GPS帶通濾波器實(shí)現(xiàn)70dB的帶外(OOB)信號(hào)隔離，則GPS 接收機(jī)要求能承受-45dBm的帶外干擾信號(hào)強(qiáng)度。

為降低成本和尺寸，大多數(shù)制造商在設(shè)計(jì)多功能設(shè)備時(shí)更愿意使用一個(gè)公用的參考時(shí)鐘。而傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)只能工作在16.36MHz參考時(shí)鐘下，如果GPS接收機(jī)是一個(gè)獨(dú)立單元，則不需要靈活的參考時(shí)鐘輸入。由于目前的手持設(shè)備存在多種參考頻率，如10.0MHz、13MHz、14.4MHz、19.2MHz、20.0MHz和26.0MHz，所以當(dāng)?shù)统杀竞托〕叽缣匦宰兊迷絹碓街匾獣r(shí)，選擇一個(gè)具有靈活的參考輸入的GPS接收機(jī)將非常有助于設(shè)計(jì)。

Maxim的集成GPS接收機(jī)MAX2741可以滿足所有這些要求。MAX2741集成了一個(gè)頻率合成器，合成器通過接收2MHz至26MHz的參考時(shí)鐘可靈活地進(jìn)行頻率配置。由于采用外部LNA，MAX2741的串聯(lián)噪聲系數(shù)小于2dB。另外，對(duì)于800MHz手機(jī)頻帶和1800MHz PCS頻帶的干擾，該芯片靈敏度降低-1dB時(shí)功率維持在-37dBm，滿足-45dBm的帶外干擾抑制要求。

通常利用專用GPS基帶處理器集成電路計(jì)算接收到的PRN碼和GPS接收器中已知PRN碼的相關(guān)性，具有突破性創(chuàng)新的軟件GPS技術(shù)的出現(xiàn)，使GPS的相關(guān)處理和計(jì)算不再需要專用的基帶處理器，而是由駐留在應(yīng)用處理器中的軟件實(shí)現(xiàn)。節(jié)省一個(gè)專用的基帶處理器不但大大降低了系統(tǒng)成本，還能顯著縮小GPS解決方案的尺寸。

MAX2741與軟件GPS方案相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)成本低、外圍元件少、靈敏度高達(dá)-139dBm的商用GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)。

文章發(fā)表于Electronic Products 2006年2月刊。

參考文獻(xiàn)
Meel, J. "Spread Spectrum (SS)." ver. 2. De Nayer Institute. Dec 1999
Plausinaitis, Darius. "GPS and Other GNSS Signals." Dept. of Electronic Systems, Aalborg University. Oct 2006.
R. E. Ziemer and W. H. Tranter. Principles of Communications. 4th ed. Wiley, John & Sons, Inc., Dec 1994.