应用笔记 3952

仅需很少外围器件的低成本GPS接收机设计


摘要 : 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-139dBm。

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]。

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。

图1. L1和L2波段中P码和C/A码GPS信号
图1. L1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 [2]。处理增益被定义为:

处理增益 = 10 log (码片率/数据速率) = 43dB(式1)

本例中,码片率 = 1.023Mcps,数据速率 = 50bps。

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/N0不小于9.5dB (AWGN受控) [3]。Eb/N0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/N0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-33.5dB。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2.046MHz采样带宽内,总体噪声功率(kTB,T = +290°K)近似为-111dBm。为获得-139dBm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/-111dBm)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-1dB时的参数。以一个具有GPS功能的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(OOB)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26.0MHz,所以当低成本和小尺寸特性变得越来越重要时,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-1dB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。

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



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