采用SiGe工艺的GPS接收机设计(一)

基于美国联邦通讯委员会(FCC)的E911定向和定位业务(LBS)，期望紧跟这一标准的全球定位系统(GPS)接收机随时准备在无线通信中扮演一个至关重要的角色。成功的E911/LBS产品与业务将会需要具有以下特征的解决方案：能在移动电话中实现GPS功能，而且是低成本、低功耗、高精度并具有高灵敏度及良好的抗扰性。
GPS接收机通常包括两个功能块：无线电射频前端和基带数字信号处理器(DSP)。如今，随着CMOS数字技术的发展，已允许将基带处理设计转移至半导体生产商，利用如CEVA公司的DSP内核在系统级上实现。理想情况下，RF前端也能采用标准的生产工艺，并可转移至各个生产商那里来实现。

嵌入式GPS解决方案的支持包括开发一种方法，即用最少的重新设计时间在射频集成电路(RF IC) 解决方案上适当地提供具有硅特征的GPS。接下来对该方法进行了解释，并讨论如何在安捷伦?司的高级设计系统 (ADS) 仿真器上利用软件模型方法来评估射频 IC设计。

无线接收机设计通常分为两个方面：顶级或系统级需求设计，例如芯片增益与频率规划；以及单独的电路模块性能设计。传统的设计方法中，对于系统设计，DSP设计和RF设计都采用不同的设计工具。RF IC设计人员通常必须协调高密度电路中模拟、数字和RF信号的不同的模拟结果。例如，将双极晶体管与无源元件和高速CMOS逻辑电路集成在一起，就会对电路的运行带来很大不确定性，通过需要模拟一个锁相环(PLL)来说明，这时，设计师就必须对数字计数器/除法器和模拟压控振荡器(VCO)进行联合仿真。

GPS无线设备的最初设计和研发需要一个仔细的设计过程，其焦点集中在目标过程技术的特殊性和明确性。将其转化成知识产权(IP)以应用到其它设计过程需要一种比最初的设计阶段显著地减少研发时间和费用的方法。确实，绝大部分消费产品的研发时间非常短，通常只有初次示范设计所需时间的50～70％。

因此，就需要这样一种方法，它能支持频域与混合域仿真技术；优化和统计设计工具；以及附加设备，系统，还有行为模型。该方法即允许自上而下的设计方法又允许自下而上的设计方法，这样，由不同处理器模型产生的晶体管级的变化就能被传送至系统级。ADS允许同时使用时域和谐波平衡非线性仿真技术。

该法能够对采用高级0.13 μm CMOS工艺和先进设计的单芯片GPS接收机与分离的射频和数字芯片进行折衷比较(允许将数字知识产权集成到主芯片中)。用来帮助确定总的系统性能的软件会受益于基于先进的SiGe(SiGe) BiCMOS工艺的分离无线设备(图1)。该无线设备设计指的是XPERT-GPS RF平台(图2)，它为GPS提供了无线射频前端，以用于移动通信中，例如手机和个人数字助理(PDA)。

为了实现高度集成，小于1.5dB的噪声指数，低功耗以及低系统成本，该无线设计采用了 SiGe双级CMOS (SiGe BiCMOS) 工艺。该无线设备将GPS L1频带下变频到1575.42 MHz，并完成一个可选的1b符号/幅度或2b符号/1b幅度的模数(ADC)转换以产生3.78 MHz的基带信号，该基带信号被送入基带处理器。

一个利用外部温度补偿晶体振荡器(TCXO) 的可变频率设计方案，提供了必不可少的本地振荡(LO)频率和基带时钟频率，能用一个单板设计来支持从10～26 MHz的不同的参考时钟频率。作为选择，对于低成本的应用场合，在使用内置振荡器电路的设备中，可以使用一个晶体。

RF子系统的关键挑战在于，在一个移动电话手机中具备两种操作功能能力的同时，来满足GPS镜像抑制的要求。必须在相互不利的RF环境中，以及优化过程中提供良好的协处理能力，这些优化对象包括稀缺的空间资源，带宽，电源，处理功率，以及在存在手机协议产生的干扰环境下的每秒数百万条指令(指令周期为时钟周期) 。

在多抽象层次上使用ADS研发出来了GPS 射频模型， 以产生并发送GPS信号到一个单通道基带相关器进行解调。利用该方法，在硅工艺实现过程中，能够定义、优化并规定每个模块的性能，从而简化了将设计转移到其它半导体工艺过程中的工作。该方法同时也允许射频集成电路知识产权作为CEVA模块被用在客户测试平台中，因此减少了在一个给定的系统环境中仿真和提取性能参数所用的时间。

图3显示了在设计仿真器窗口中的射频 IC的顶级原理图。该仿真器允许显示每个模块的特性，这样就可以轻易地观察到模拟环境参数。这很重要，因为每一个符号都可能包含子层级信息。

该仿真器必须能仿真关键系统性能参数，包括噪声、线性度、增益、灵敏度、频率及调制度。图4显示了一个有代表性的GPS频谱的功率谱密度(PSD)和热噪声。注意该GPS信号的辛格函数(sinx/x)特性。该射频 IC必须能够处理比噪声电平约低20 dB的信号，只有通过集成，直到该信噪比(SNR)大于0，该接收器才能从噪声中恢复该GPS信号。