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1、仅需很少外围器件的低成本GPS接收机设计 在商用和专用无线应用中，全球定位卫星的L1波段信号最微弱。GPS接收机天 线收到的信号功率通常都淹没在热噪声基底中。为成功地恢复出这些微弱信 号，接收机必须具有足够高的接收灵敏度，并能抑制带外干扰。本文主要讨论 在设计一个外围元件很少的低成本商用GPS接收机时应该考虑的关键系统参 数。这种系统的目标接收灵敏度为-139dBin。全球定位系统（GPS）是一种精密的卫星导航系统，由美国国防部投资构建。该系 统由24颗绕地球旋转的卫星组成，卫星连续不断地发送位置和时间信息。这些 卫星均匀地分布在6个轨道上，每个轨道有4颗卫星。地面GPS接收机可接收 5到12
2、颗卫星信号。为实现地面定位功能，GPS接收机至少需要接收4个卫星 信号，其中3个信号用来计算GPS接收机的纬度、经度和海拔高度，第四个信 号提供同步时间校准1。如图1所示，每颗卫星都在两个载波上发送独立的直序扩频（DSSS）信号。之所 以使用扩频技术，是因为它具有很好的抗窄带干扰能力。第一个载波频率驻留 在L1波段（中心频率为1575. 42MHz）,另一个载波频率驻留在L2波段（中心频 率为1227. 6MHz）。L1波段主要用于民用设备，包含两个信号。一个为粗略测距 捕获码（C/A码），另一个为精确测距码（P码）。L2波段仅用于军事设备，只有P 码。所有24颗卫星的L1波段卫星信号都能够占
3、用相同频段而互不干扰，经过 上变频发射后，它们都通过32种伪随机噪声（PRN）码中的1种扩频到2. 046MHz 带宽上。20 46MHzL2 BAND 1227 6MHz图1. 和L2波段中P码和C/A码GPS信号通过PRN码扩频后的GPS信号不但可以与其它信号区分开来，而且还具有抗干 扰能力。抗干扰能力主要取决于系统的处理增益。处理增益越高，GPS信号的 扩展频带就越宽。如果将信号扩展到很宽的频带，信号受窄带干扰破坏的几率 将大大降低。信号经过解扩后，窄带干扰被扩展。对GPS应用来说，每个PRN 码序列的长度为1023位，扩频率为1. 023Mbps 2o处理增益被定义为：处理增益二10
4、log （码片率/数据速率）=43dB（式1）本例中，码片率=1.023Mcps,数据速率=50bpso解扩后GPS信号的质量决定了 GPS接收机的精度，它由比特误码率（BER）来量 化。假设要求基带处理器的BER为10-5,则用于BPSK调制的相关器的Eb/NO 不小于9.5dB (AWGN受控)3o Eb/NO定义为每比特能量与噪声谱密度的比 值。从所要求的9.5dB的相关器Eb/NO中减去43dB的处理增益，可以得到相关 器输入端的信噪比(SNR)为-33.5dBo假设软件GPS的工作损耗为3. 5dB,则量 化器输入端的信噪比(SNRQUANTIZER)为-30dB。在整个2. 046
5、MHz采样带宽内， 总体噪声功率(kTB, T = +290 K)近似为-nidBni。为获得T39dBm的目标灵敏 度，需要接收机的串联噪声系数(NF)等于-28dB的天线端信噪比(SNRANTENNA = -139dBm/-llldBm)与-30dB 的 SNRQUANTIZER 之差。NF = SNRANTENNA - SNRQUANTIZER = -28dB - (-30dB) = 2dB(式 2)随着GPS应用成为手机及其它个人手持设备集成方案的一部分，同一单元电路 在不同应用中的干扰承受能力非常关键。评估抗干扰能力的一种方法是测量接 收机灵敏度降低TdB时的参数。以一个具有GPS功
6、能的CDMA双频手机为例： CDMA手机功率放大器的典型发射功率为+25dBm,假设采用三频滤波器和GPS带 通滤波器实现70dB的带外(00B)信号隔离，则GPS接收机要求能承受-45dBm的 带外干扰信号强度。为降低成本和尺寸，大多数制造商在设计多功能设备时更愿意使用一个公用的 参考时钟。而传统的GPS接收机只能工作在16. 36MHz参考时钟下，如果GPS接 收机是一个独立单元，则不需要灵活的参考时钟输入。由于目前的手持设备存 在多种参考频率,如 10.0MHz、13MHz、14.4MHz、19. 2MHz. 20. 0MHz 和26. OMHz,所以当低成本和小尺寸特性变得越来越重要时
7、，选择一个具有灵活的 参考输入的GPS接收机将非常有助于设计。Maxim的集成GPS接收机MAX2741可以满足所有这些要求。MAX2741集成了一个 频率合成器，合成器通过接收2MHz至26MHz的参考时钟可灵活地进行频率配 置。由于采用外部LNA, MAX2741的串联噪声系数小于2dB。另外，对于800MHz 手机频带和1800MHz PCS频带的干扰，该芯片灵敏度降低TdB时功率维持在- 37dBm,满足-45dBm的带外干扰抑制要求。通常利用专用GPS基带处理器集成电路计算接收到的PRN码和GPS接收器中已 知PRN码的相关性，具有突破性创新的软件GPS技术的出现，使GPS的相关处
8、理和计算不再需要专用的基带处理器，而是由驻留在应用处理器中的软件实 现。节省一个专用的基带处理器不但大大降低了系统成本，还能显著缩小GPS 解决方案的尺寸。MAX2741与软件GPS方案相结合，能够实现成本低、外围元件少、灵敏度高达- 139dBm的商用GPS接收机设计。文章发表于Electronic Products 2006年2月刊。Meel, J. Spread Spectrum (SS) ver. 2. De Nayer Institute. Dec 1999 Plausinaitis, Darius. GPS and Other GNSS Signals. /z 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.