一種應(yīng)用于車載系統(tǒng)的GPS接收機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)

1．引言   
    GPS（GLOBLE POSITIONING SYSTEM）是一種可以定時(shí)和測(cè)距的空間交會(huì)定點(diǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)，它可以向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、三維速度和實(shí)踐信息。GPS提供兩種服務(wù)：標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）和精密定位服務(wù)（PPS）。
    利用GPS技術(shù)進(jìn)行地面機(jī)動(dòng)車輛的導(dǎo)航定位，無論在軍用或民用領(lǐng)域，都有著廣泛而重要的應(yīng)用價(jià)值。現(xiàn)在各國(guó)正處于應(yīng)用中的自動(dòng)車輛定位導(dǎo)航（AVLN）系統(tǒng)組成方案具有多樣性，但就其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言主要包括三大部分：車載系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、中心控制管理系統(tǒng)。
    車載系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的特殊性對(duì)電路性能具有更高的要求，而射頻電路的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高性能的關(guān)鍵。如果射頻電路設(shè)計(jì)不好，接收機(jī)的噪限靈敏度和信噪比以及其它技術(shù)指標(biāo)都會(huì)大大下降，從而影響所接收信號(hào)的效果。
    圖1所示為自動(dòng)車輛定位導(dǎo)航（AVLN）系統(tǒng)組成框圖，其中GPS接收機(jī)前端中射頻電路的設(shè)計(jì)將是本文討論的重點(diǎn)。

圖1：自動(dòng)車輛定位導(dǎo)航（AVLN）系統(tǒng)組成框圖

2．GPS接收機(jī)射頻前端的設(shè)計(jì)要求
2.1 GPS接收機(jī)的基本組成
    大多數(shù)接收機(jī)有多個(gè)通道，每一個(gè)通道跟蹤來自一顆衛(wèi)星的發(fā)射信號(hào)。圖2給出了一般性的多通道GPS接收機(jī)的方框圖。

圖2：一般GPS接收機(jī)基本結(jié)構(gòu)框圖
   
    接收到的RF CDMA衛(wèi)星信號(hào)先用一個(gè)無源的帶通濾波器濾波，以減小帶外射頻干擾。常規(guī)情況下后面接著是一個(gè)預(yù)放。然后射頻信號(hào)下變頻到中頻（IF）。在典型的現(xiàn)代接收機(jī)方案中，用A/D變換器對(duì)IF信號(hào)采樣和數(shù)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(jù)。過采樣會(huì)降低接收機(jī)對(duì)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(shù)。采樣送到數(shù)字信號(hào)處理器中。DSP中包含N個(gè)并行通道，以同時(shí)跟蹤來自最多達(dá)N顆衛(wèi)星的載頻和碼。每個(gè)通道中包含碼和載波跟蹤環(huán)，以完成碼和載波相位測(cè)量，以及導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)的解調(diào)。
2．2射頻干擾對(duì)跟蹤的影響
    因?yàn)镚PS接收機(jī)依賴于外部RF信號(hào)，所以它們?nèi)菀资躌F干擾的影響。RF干擾可能會(huì)引起導(dǎo)航精度的降低或接收機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)中，更要考慮到路面狀況和車載本身移動(dòng)性所造成的干擾。
 
                    表1：各種RF干擾類型

2.3射頻前端設(shè)計(jì)要求
    接收機(jī)的RF部分包括從天線到數(shù)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(hào)發(fā)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(diào)制在1575.42MHz的擴(kuò)譜信號(hào)。到達(dá)天線的衛(wèi)星信號(hào)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(hào)放大到某一電平之上，使得該信號(hào)可以為數(shù)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(shù)字處理器工作頻率范圍之內(nèi)即最后一級(jí)中頻IF。從RF到IF的轉(zhuǎn)換可通過一級(jí)或幾級(jí)下變頻實(shí)現(xiàn)，IF與轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)的選擇對(duì)RF設(shè)計(jì)是很重要的。目前GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)大都采用二級(jí)或多級(jí)轉(zhuǎn)換將RF變到IF。這是因?yàn)樵诓煌l率點(diǎn)分配增益穩(wěn)定性較好，并且由于更多的優(yōu)化濾波可提高接收機(jī)抗干擾能力。
    上述三部分——放大、下變頻和濾波是接收機(jī)RF前端設(shè)計(jì)的主要部分，另外兩部分為自動(dòng)增益控制(AGC)和本地振蕩信號(hào)發(fā)生器。RF硬件最后一部分是產(chǎn)生所要求的本地振蕩信號(hào)。不管下變頻級(jí)數(shù)多少，每級(jí)均要求一個(gè)穩(wěn)定的本地振蕩信號(hào)源，這可采用溫補(bǔ)晶振TCXO參考源及PLL鎖相壓控振蕩器VCO、倍頻器、分頻器來實(shí)現(xiàn)。   
    另外，GPS接收機(jī)噪聲系數(shù)是系統(tǒng)性能指標(biāo)應(yīng)考慮的又一問題。對(duì)于民用接收機(jī)前端噪聲系數(shù)為4~6dB時(shí)均可保證系統(tǒng)工作。

3．應(yīng)用于車載系統(tǒng)的GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
3．1 GPS射頻前端的電路構(gòu)成
    GPS接收機(jī)的RF部分，通常是將天線接收到的GPS射頻信號(hào)，經(jīng)過低噪聲放大器（LNA）的濾波和放大，與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)進(jìn)行混頻，形成中頻信號(hào)。大部分GPS接收機(jī)的本振采用的是精密的石英晶體振蕩器為基準(zhǔn)的頻率綜合器。中頻信號(hào)除了在載波頻率上變低以外，RF信號(hào)的所有調(diào)制的信號(hào)信息都轉(zhuǎn)移到中頻信號(hào)上。在GPS接收機(jī)模擬部分與數(shù)字部分之間必須有個(gè)模數(shù)（A/D）變換器，有的直接采樣接收機(jī)面對(duì)的不是中頻信號(hào)，而是直接對(duì)RF信號(hào)進(jìn)行A/D采樣。這在低價(jià)位的混合模擬（A/D）芯片中，未帶來優(yōu)勢(shì)，直接采樣不但要高速A/D轉(zhuǎn)換器，更重要的是增加了后面數(shù)字部分的處理工作量。如下圖3為應(yīng)用于車載的GPS接收機(jī)射頻前端的電路設(shè)計(jì)。

圖3：GPS接收機(jī)射頻前端
3．2 射頻前端技術(shù)參數(shù)的設(shè)定
    RF前端包括1400MHzPLL頻率合成器、低噪放大器、三級(jí)混頻器、2比特A/D轉(zhuǎn)換器。前端接收1575.42MHz衛(wèi)星信號(hào)，通過三級(jí)變頻轉(zhuǎn)換為4.309MHz IF。當(dāng)前端與相關(guān)器配合使用時(shí)，后者提供5.714MHz采樣時(shí)鐘，將IF轉(zhuǎn)換為1.405MHz 2比特?cái)?shù)字信號(hào)以電平輸出。第一級(jí)、第二級(jí)混頻均為平衡開集輸入輸出，要求外部直流偏置及濾波。設(shè)計(jì)中175.42MHz濾波器采用帶寬較寬的簡(jiǎn)單的兩級(jí)LC參差調(diào)諧濾波器，而第二級(jí)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(duì)系統(tǒng)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(bǔ)的。第三級(jí)輸出IF采用片內(nèi)濾波。其中增益量化表達(dá)式為：
-l 74dBm／Hz 19dBm+G1+G2+G3-21dB +63dB > -7dBm  其中：
    1）-7dBm＝AGC工作時(shí)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(shù)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(nèi)噪聲之和。  
    由上述表達(dá)式可獲得對(duì)各級(jí)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(dòng)態(tài)范圍為60dB，可滿足系統(tǒng)對(duì)增益的要求。

4.小結(jié)
    隨著通訊技術(shù)和半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，GPS系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)導(dǎo)航、船舶進(jìn)出港控制、各種車輛的定位與指揮調(diào)度、基站或無線本地環(huán)路定時(shí)等領(lǐng)域．近年來GPS系統(tǒng)，已經(jīng)在大地測(cè)繪、海上漁用、車輛定位監(jiān)控、建筑、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從九十年代我國(guó)引進(jìn)GPS定位技術(shù)開始，經(jīng)過十多年的市場(chǎng)培育，GPS定位應(yīng)用進(jìn)入了發(fā)展的最好時(shí)機(jī)，未來十年基于GPS的應(yīng)用將會(huì)改變我們的生活和工作方式。