設(shè)計(jì)低成本、低元件數(shù)的GPS接收機(jī)

來(lái)自L1波段全球定位衛(wèi)星的信號(hào)在商業(yè)和私人無(wú)線應(yīng)用中是最弱的。GPS接收器天線的接收功率遠(yuǎn)低于集成的熱本底噪聲。為了成功恢復(fù)這種微弱的信號(hào)，接收器必須具有足夠高的靈敏度，同時(shí)抑制帶外干擾。本文旨在介紹在設(shè)計(jì)低成本、低元件數(shù)、無(wú)輔助商用GPS接收機(jī)時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)。該系統(tǒng)的目標(biāo)是-139dBm的接收靈敏度。

全球定位系統(tǒng)（GPS）是由美國(guó)國(guó)防部設(shè)計(jì)和資助的精心設(shè)計(jì)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星不斷廣播它們?cè)诘厍蛑車(chē)奈恢煤蜁r(shí)間。這些衛(wèi)星在六個(gè)軌道之一中運(yùn)行，通常每個(gè)軌道上有四顆衛(wèi)星。地球上的GPS接收器可以接收五到十二個(gè)衛(wèi)星信號(hào)。要獲得地球上的位置定位，至少需要四個(gè)衛(wèi)星信號(hào) - 三個(gè)用于計(jì)算GPS接收器的緯度，經(jīng)度和高度，而第四個(gè)提供正確的同步時(shí)間[1]。

如圖1所示，每顆衛(wèi)星在兩個(gè)載波頻率上傳輸兩個(gè)獨(dú)特的直接序列擴(kuò)頻（DSSS）信號(hào)。使用擴(kuò)頻技術(shù)是因?yàn)樗峁┝藢?duì)窄帶干擾的高度保護(hù)。第一個(gè)載波頻率位于L1頻段（中心頻率為1575.42MHz），而另一個(gè)載波頻率位于L2頻段（中心頻率為1227.6MHz）。用于民用的L1頻段包含兩個(gè)信號(hào)。一個(gè)稱為粗略采集 （C/A） 代碼，另一個(gè)稱為精度代碼 （P） 代碼。僅用于軍事用途的 L2 頻段僅攜帶 P 代碼。所有24個(gè)L1衛(wèi)星信號(hào)都能夠占據(jù)相同的頻率而不會(huì)相互干擾，因?yàn)樗鼈冊(cè)谏献冾l和傳輸后，每個(gè)信號(hào)都由32個(gè)唯一的偽隨機(jī)噪聲（PRN）碼中的1個(gè)在2.046MHz的帶寬上傳播（或編碼）。

圖1.P代碼和C / A代碼GPS信號(hào)在L1和L2頻段。

通過(guò)PRN碼傳播GPS信號(hào)不僅可以將每個(gè)信號(hào)與其他信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)，還可以防止干擾?？垢蓴_性高度依賴于系統(tǒng)的處理增益。處理增益越高，GPS 信號(hào)傳播范圍越廣。通過(guò)在寬帶寬上擴(kuò)展信號(hào)，只有一小部分所需信號(hào)會(huì)被窄帶干擾破壞。在去擴(kuò)過(guò)程之后，窄帶干擾被擴(kuò)散。對(duì)于 GPS 應(yīng)用，每個(gè) PRN 代碼序列的長(zhǎng)度為 1023 位，以 1.023Mbps 的速率傳播信號(hào) [2]。處理增益定義為：

處理增益 = 10 log （芯片速率/數(shù)據(jù)速率） = 43dB

其中芯片速率 = 1.023Mcps，數(shù)據(jù)速率 = 50bps（對(duì)于我們的應(yīng)用）

去擴(kuò)散GPS信號(hào)的質(zhì)量決定了GPS接收器的精度，并通過(guò)由此產(chǎn)生的誤碼率（BER）進(jìn)行量化。假設(shè)基帶處理器需要 BER 為 10-5，對(duì)應(yīng)的后相關(guān)因子Eb/N0使用的BPSK調(diào)制不小于9.5dB（AWGN主導(dǎo)）[3]。Eb/N0定義為每比特的能量與頻譜噪聲密度的比值。從所需的9.5dB后相關(guān)器E中減去43dB的處理增益b/N0，相關(guān)器輸入端的信噪比（SNR）為-33.5dB。假設(shè)軟件GPS的實(shí)現(xiàn)損耗為3.5dB，量化器所需的SNR（SNR量化） 輸入為 -30dB。在2.046MHz的采樣帶寬內(nèi)，積分噪聲功率（kTB，T = +290°K）約為-111dBm。為了實(shí)現(xiàn)-139dBm的目標(biāo)靈敏度，所需的級(jí)聯(lián)接收噪聲系數(shù)（NF）是天線-28dB SNR（SNR）之差天線 = -139分貝/-111分貝）和 -30dB 信噪比量化.

NF = 信噪比天線-信 噪 比量化= -28分貝 - （-30分貝） = 2分貝

隨著GPS應(yīng)用成為蜂窩電話和其他個(gè)人手持設(shè)備內(nèi)部整體解決方案的一部分，它們對(duì)同一單元內(nèi)相鄰應(yīng)用造成的干擾的容忍度成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。表征該容差的一種方法是測(cè)量接收器的-1dB脫敏點(diǎn)。以與GPS同時(shí)運(yùn)行的雙頻CDMA蜂窩電話為例。功率放大器的典型CDMA發(fā)射功率為+25dBm。假設(shè)三工器和GPS帶通濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全隔離70dB的帶外（OOB）信號(hào)，GPS接收器需要能夠承受-45dBm的OOB干擾器電平。

為了降低成本和尺寸，大多數(shù)制造商在設(shè)計(jì)多功能器件時(shí)更愿意使用單個(gè)通用參考頻率。然而，傳統(tǒng)的GPS接收器只能使用16.36MHz的參考頻率工作;如果GPS接收器是獨(dú)立單元，則不需要靈活的參考輸入。然而，當(dāng)今的手持設(shè)備需要各種參考頻率，例如 10.0MHz、13MHz、14.4MHz、19.2MHz、20.0MHz 和 26.0MHz。因此，當(dāng)?shù)统杀竞透〕叽绾苤匾獣r(shí)，具有靈活參考輸入的GPS接收器對(duì)于這些設(shè)備非常有用。

MAX2741是滿足所有三個(gè)要求的GPS接收器集成電路。該器件具有集成頻率合成器，通過(guò)接受 2MHz 至 26MHz 的參考頻率，提供頻率規(guī)劃的靈活性。采用外部LNA，MAX2741可實(shí)現(xiàn)小于2dB的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)。它還滿足 -45dBm 的 OOB 干擾要求，為 800MHz 手機(jī)頻段和 1800MHz PCS 頻段干擾器保持 -1dB 的脫敏水平 -37dBm。

傳統(tǒng)上，接收到的PRN碼與GPS接收器中已知PRN碼集的關(guān)聯(lián)由專(zhuān)用GPS基帶處理器IC執(zhí)行。得益于突破性的軟件GPS技術(shù)，相關(guān)和計(jì)算任務(wù)可以被駐留在應(yīng)用處理器中的軟件所取代。消除專(zhuān)用基帶處理器不僅大大降低了GPS解決方案的成本，而且大大減小了尺寸。

MAX2741與軟件GPS相結(jié)合，設(shè)計(jì)出低成本、低元件數(shù)、無(wú)人輔助的商用GPS接收器，靈敏度可達(dá)-139dBm。