一种应用于车载系统的GPS接收机射频前端的设计

1．引言   
    GPS（GLOBLE POSITIONING SYSTEM）是一种可以定时和测距的空间交会定点导航系统，它可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和实践信息。GPS提供两种服务：标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）。
    利用GPS技术进行地面机动车辆的导航定位，无论在军用或民用领域，都有着广泛而重要的应用价值。现在各国正处于应用中的自动车辆定位导航（AVLN）系统组成方案具有多样性，但就其系统结构而言主要包括三大部分：车载系统、通信系统、中心控制管理系统。
    车载系统应用环境的特殊性对电路性能具有更高的要求，而射频电路的设计是实现高性能的关键。如果射频电路设计不好，接收机的噪限灵敏度和信噪比以及其它技术指标都会大大下降，从而影响所接收信号的效果。
    图1所示为自动车辆定位导航（AVLN）系统组成框图，其中GPS接收机前端中射频电路的设计将是本文讨论的重点。

图1：自动车辆定位导航（AVLN）系统组成框图

2．GPS接收机射频前端的设计要求
2.1 GPS接收机的基本组成
    大多数接收机有多个通道，每一个通道跟踪来自一颗卫星的发射信号。图2给出了一般性的多通道GPS接收机的方框图。

图2：一般GPS接收机基本结构框图
   
    接收到的RF CDMA卫星信号先用一个无源的带通滤波器滤波，以减小带外射频干扰。常规情况下后面接着是一个预放。然后射频信号下变频到中频（IF）。在典型的现代接收机方案中，用A/D变换器对IF信号采样和数字化。A/D采样速率典型情况下为PRN基码速率的8~12倍。最小采样速率是码的带止带宽的2倍以满足奈魁斯特判据。过采样会降低接收机对于A/D量化噪声敏感度，因而减少在A/D变换器中所需的位数。采样送到数字信号处理器中。DSP中包含N个并行通道，以同时跟踪来自最多达N颗卫星的载频和码。每个通道中包含码和载波跟踪环，以完成码和载波相位测量，以及导航电文数据的解调。
2．2射频干扰对跟踪的影响
    因为GPS接收机依赖于外部RF信号，所以它们容易受RF干扰的影响。RF干扰可能会引起导航精度的降低或接收机跟踪的完全丢失。表1概括了各种RF干扰类型。RF干扰可能是无意的或有意的。尤其在车载GPS接收机的设计中，更要考虑到路面状况和车载本身移动性所造成的干扰。
 
                    表1：各种RF干扰类型

2.3射频前端设计要求
    接收机的RF部分包括从天线到数字处理器之间的所有部件。这一定义明确表示RF前端包括RF放大器、滤波器、下变频器、增益控制和本地信号发生器。RF前端也包括天线及支持RF工作的供电线路等。我们知道，C/A码是以码速率1.023MHz调制在1575.42MHz的扩谱信号。到达天线的卫星信号功率大约为-130dBm，深埋于热噪声电子之下(-114dBm／MHz)．因此RF前端必须将该信号放大到某一电平之上，使得该信号可以为数字处理器所利用，假定该电平为0dBm/MHz，则要求前端总增益不低于110dB。
    RF电路还必须将载波1575MHz下变频到数字处理器工作频率范围之内即最后一级中频IF。从RF到IF的转换可通过一级或几级下变频实现，IF与转换级数的选择对RF设计是很重要的。目前GPS接收机的设计大都采用二级或多级转换将RF变到IF。这是因为在不同频率点分配增益稳定性较好，并且由于更多的优化滤波可提高接收机抗干扰能力。
    上述三部分——放大、下变频和滤波是接收机RF前端设计的主要部分，另外两部分为自动增益控制(AGC)和本地振荡信号发生器。RF硬件最后一部分是产生所要求的本地振荡信号。不管下变频级数多少，每级均要求一个稳定的本地振荡信号源，这可采用温补晶振TCXO参考源及PLL锁相压控振荡器VCO、倍频器、分频器来实现。   
    另外，GPS接收机噪声系数是系统性能指标应考虑的又一问题。对于民用接收机前端噪声系数为4~6dB时均可保证系统工作。

3．应用于车载系统的GPS接收机的设计实现
3．1 GPS射频前端的电路构成
    GPS接收机的RF部分，通常是将天线接收到的GPS射频信号，经过低噪声放大器（LNA）的滤波和放大，与本机振荡器产生的正弦波信号进行混频，形成中频信号。大部分GPS接收机的本振采用的是精密的石英晶体振荡器为基准的频率综合器。中频信号除了在载波频率上变低以外，RF信号的所有调制的信号信息都转移到中频信号上。在GPS接收机模拟部分与数字部分之间必须有个模数（A/D）变换器，有的直接采样接收机面对的不是中频信号，而是直接对RF信号进行A/D采样。这在低价位的混合模拟（A/D）芯片中，未带来优势，直接采样不但要高速A/D转换器，更重要的是增加了后面数字部分的处理工作量。如下图3为应用于车载的GPS接收机射频前端的电路设计。

图3：GPS接收机射频前端
3．2 射频前端技术参数的设定
    RF前端包括1400MHzPLL频率合成器、低噪放大器、三级混频器、2比特A/D转换器。前端接收1575.42MHz卫星信号，通过三级变频转换为4.309MHz IF。当前端与相关器配合使用时，后者提供5.714MHz采样时钟，将IF转换为1.405MHz 2比特数字信号以电平输出。第一级、第二级混频均为平衡开集输入输出，要求外部直流偏置及滤波。设计中175.42MHz滤波器采用带宽较宽的简单的两级LC参差调谐滤波器，而第二级则采用1dB带宽为1.9MHz的声表面滤波器，具有较好的带外抑制能力，对系统滤波性能起了决定性的作用。另外，两种滤波器的插入损耗也是不同的，前者较低而后者较高，从整体上来说，两者性能是互补的。第三级输出IF采用片内滤波。其中增益量化表达式为：
-l 74dBm／Hz 19dBm+G1+G2+G3-21dB +63dB > -7dBm  其中：
    1）-7dBm＝AGC工作时IF输出所要求的典型电平
    2）-174dBm／Hz＝RF输入的背景噪声电平
    3）19dB＝低噪放大器增益与噪声系数之和
    4）-21dBm＝175MHz、35.42MHz滤波器插入损耗之和(175MHz滤波器插入损耗:0~5 dB，35.42MHz滤波器插入损耗:14dB~16dB)
    5）63dB＝2MHz带宽内噪声之和。  
    由上述表达式可获得对各级混频增益的要求，即： G1+G2+G3＞106dB
    G1、G2、G3增益及AGC增益范围为:
    G1：11dB~25dB
    G2：22dB~33dB 
    G3：106dB~G1-G2，最大为75dB 。
    AGC动态范围为60dB，可满足系统对增益的要求。

4.小结
    随着通讯技术和半导体集成技术的发展，GPS系统已被广泛应用于飞机导航、船舶进出港控制、各种车辆的定位与指挥调度、基站或无线本地环路定时等领域．近年来GPS系统，已经在大地测绘、海上渔用、车辆定位监控、建筑、农业等各个领域得到广泛应用。从九十年代我国引进GPS定位技术开始，经过十多年的市场培育，GPS定位应用进入了发展的最好时机，未来十年基于GPS的应用将会改变我们的生活和工作方式。