一種應用于車載系統的GPS接收機射頻前端的設計

GPS（GLOBLE POSITIONING SYSTEM）是一種可以定時和測距的空間交會定點導航系統，它可以向全球用戶提供連續、實時、高精度的三維位置、三維速度和實踐信息。GPS提供兩種服務：標準定位服務（SPS）和精密定位服務（PPS）。
??? 利用GPS技術進行地面機動車輛的導航定位，無論在軍用或民用領域，都有著廣泛而重要的應用價值。現在各國正處于應用中的自動車輛定位導航（AVLN）系統組成方案具有多樣性，但就其系統結構而言主要包括三大部分：車載系統、通信系統、中心控制管理系統。
??? 車載系統應用環境的特殊性對電路性能具有更高的要求，而射頻電路的設計是實現高性能的關鍵。如果射頻電路設計不好，接收機的噪限靈敏度和信噪比以及其它技術指標都會大大下降，從而影響所接收信號的效果。
??? 圖1所示為自動車輛定位導航（AVLN）系統組成框圖，其中GPS接收機前端中射頻電路的設計將是本文討論的重點。

圖1：自動車輛定位導航（AVLN）系統組成框圖

2．GPS接收機射頻前端的設計要求
2.1 GPS接收機的基本組成
??? 大多數接收機有多個通道，每一個通道跟蹤來自一顆衛星的發射信號。圖2給出了一般性的多通道GPS接收機的方框圖。

圖2：一般GPS接收機基本結構框圖
???
??? 接收到的RF CDMA衛星信號先用一個無源的帶通濾波器濾波，以減小帶外射頻干擾。常規情況下后面接著是一個預放。然后射頻信號下變頻到中頻（IF）。在典型的現代接收機方案中，用A/D變換器對IF信號采樣和數字化。A/D采樣速率典型情況下為PRN基碼速率的8~12倍。最小采樣速率是碼的帶止帶寬的2倍以滿足奈魁斯特判據。過采樣會降低接收機對于A/D量化噪聲敏感度，因而減少在A/D變換器中所需的位數。采樣送到數字信號處理器中。DSP中包含N個并行通道，以同時跟蹤來自最多達N顆衛星的載頻和碼。每個通道中包含碼和載波跟蹤環，以完成碼和載波相位測量，以及導航電文數據的解調。
2．2射頻干擾對跟蹤的影響
??? 因為GPS接收機依賴于外部RF信號，所以它們容易受RF干擾的影響。RF干擾可能會引起導航精度的降低或接收機跟蹤的完全丟失。表1概括了各種RF干擾類型。RF干擾可能是無意的或有意的。尤其在車載GPS接收機的設計中，更要考慮到路面狀況和車載本身移動性所造成的干擾。

??????????????????? 表1：各種RF干擾類型

2.3射頻前端設計要求
??? 接收機的RF部分包括從天線到數字處理器之間的所有部件。這一定義明確表示RF前端包括RF放大器、濾波器、下變頻器、增益控制和本地信號發生器。RF前端也包括天線及支持RF工作的供電線路等。我們知道，C/A碼是以碼速率1.023MHz調制在1575.42MHz的擴譜信號。到達天線的衛星信號功率大約為-130dBm，深埋于熱噪聲電子之下(-114dBm／MHz)．因此RF前端必須將該信號放大到某一電平之上，使得該信號可以為數字處理器所利用，假定該電平為0dBm/MHz，則要求前端總增益不低于110dB。
??? RF電路還必須將載波1575MHz下變頻到數字處理器工作頻率范圍之內即最后一級中頻IF。從RF到IF的轉換可通過一級或幾級下變頻實現，IF與轉換級數的選擇對RF設計是很重要的。目前GPS接收機的設計大都采用二級或多級轉換將RF變到IF。這是因為在不同頻率點分配增益穩定性較好，并且由于更多的優化濾波可提高接收機抗干擾能力。
??? 上述三部分——放大、下變頻和濾波是接收機RF前端設計的主要部分，另外兩部分為自動增益控制(AGC)和本地振蕩信號發生器。RF硬件最后一部分是產生所要求的本地振蕩信號。不管下變頻級數多少，每級均要求一個穩定的本地振蕩信號源，這可采用溫補晶振TCXO參考源及PLL鎖相壓控振蕩器VCO、倍頻器、分頻器來實現。???
??? 另外，GPS接收機噪聲系數是系統性能指標應考慮的又一問題。對于民用接收機前端噪聲系數為4~6dB時均可保證系統工作。

3．應用于車載系統的GPS接收機的設計實現
3．1 GPS射頻前端的電路構成
??? GPS接收機的RF部分，通常是將天線接收到的GPS射頻信號，經過低噪聲放大器（LNA）的濾波和放大，與本機振蕩器產生的正弦波信號進行混頻，形成中頻信號。大部分GPS接收機的本振采用的是精密的石英晶體振蕩器為基準的頻率綜合器。中頻信號除了在載波頻率上變低以外，RF信號的所有調制的信號信息都轉移到中頻信號上。在GPS接收機模擬部分與數字部分之間必須有個模數（A/D）變換器，有的直接采樣接收機面對的不是中頻信號，而是直接對RF信號進行A/D采樣。這在低價位的混合模擬（A/D）芯片中，未帶來優勢，直接采樣不但要高速A/D轉換器，更重要的是增加了后面數字部分的處理工作量。如下圖3為應用于車載的GPS接收機射頻前端的電路設計。

圖3：GPS接收機射頻前端
3．2 射頻前端技術參數的設定
??? RF前端包括1400MHzPLL頻率合成器、低噪放大器、三級混頻器、2比特A/D轉換器。前端接收1575.42MHz衛星信號，通過三級變頻轉換為4.309MHz IF。當前端與相關器配合使用時，后者提供5.714MHz采樣時鐘，將IF轉換為1.405MHz 2比特數字信號以電平輸出。第一級、第二級混頻均為平衡開集輸入輸出，要求外部直流偏置及濾波。設計中175.42MHz濾波器采用帶寬較寬的簡單的兩級LC參差調諧濾波器，而第二級則采用1dB帶寬為1.9MHz的聲表面濾波器，具有較好的帶外抑制能力，對系統濾波性能起了決定性的作用。另外，兩種濾波器的插入損耗也是不同的，前者較低而后者較高，從整體上來說，兩者性能是互補的。第三級輸出IF采用片內濾波。其中增益量化表達式為：
-l 74dBm／Hz 19dBm+G1+G2+G3-21dB +63dB > -7dBm? 其中：
??? 1）-7dBm＝AGC工作時IF輸出所要求的典型電平
??? 2）-174dBm／Hz＝RF輸入的背景噪聲電平
??? 3）19dB＝低噪放大器增益與噪聲系數之和
??? 4）-21dBm＝175MHz、35.42MHz濾波器插入損耗之和(175MHz濾波器插入損耗:0~5 dB，35.42MHz濾波器插入損耗:14dB~16dB)
??? 5）63dB＝2MHz帶寬內噪聲之和。??
??? 由上述表達式可獲得對各級混頻增益的要求，即： G1+G2+G3＞106dB
??? G1、G2、G3增益及AGC增益范圍為:
??? G1：11dB~25dB
??? G2：22dB~33dB?
??? G3：106dB~G1-G2，最大為75dB 。
??? AGC動態范圍為60dB，可滿足系統對增益的要求。

4.小結
??? 隨著通訊技術和半導體集成技術的發展，GPS系統已被廣泛應用于飛機導航、船舶進出港控制、各種車輛的定位與指揮調度、基站或無線本地環路定時等領域．近年來GPS系統，已經在大地測繪、海上漁用、車輛定位監控、建筑、農業等各個領域得到廣泛應用。從九十年代我國引進GPS定位技術開始，經過十多年的市場培育，GPS定位應用進入了發展的最好時機，未來十年基于GPS的應用將會改變我們的生活和工作方式。