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[導(dǎo)讀]1.引言 GPS(GLOBLE POSITIONING SYSTEM)是一種可以定時和測距的空間交會定點導(dǎo)航系統(tǒng),它可以向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置、三維速度和實踐信息。GPS提供兩種服務(wù):標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)和

1.引言   
    GPS(GLOBLE POSITIONING SYSTEM)是一種可以定時和測距的空間交會定點導(dǎo)航系統(tǒng),它可以向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置、三維速度和實踐信息。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)進行地面機動車輛的導(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)用價值?,F(xiàn)在各國正處于應(yīng)用中的自動車輛定位導(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)境的特殊性對電路性能具有更高的要求,而射頻電路的設(shè)計是實現(xiàn)高性能的關(guān)鍵。如果射頻電路設(shè)計不好,接收機的噪限靈敏度和信噪比以及其它技術(shù)指標(biāo)都會大大下降,從而影響所接收信號的效果。
    圖1所示為自動車輛定位導(dǎo)航(AVLN)系統(tǒng)組成框圖,其中GPS接收機前端中射頻電路的設(shè)計將是本文討論的重點。

圖1:自動車輛定位導(dǎo)航(AVLN)系統(tǒng)組成框圖

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

圖2:一般GPS接收機基本結(jié)構(gòu)框圖
   
    接收到的RF CDMA衛(wèi)星信號先用一個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預(yù)放。然后射頻信號下變頻到中頻(IF)。在典型的現(xiàn)代接收機方案中,用A/D變換器對IF信號采樣和數(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)。過采樣會降低接收機對于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)字信號處理器中。DSP中包含N個并行通道,以同時跟蹤來自最多達N顆衛(wèi)星的載頻和碼。每個通道中包含碼和載波跟蹤環(huán),以完成碼和載波相位測量,以及導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)的解調(diào)。
2.2射頻干擾對跟蹤的影響
    因為GPS接收機依賴于外部RF信號,所以它們?nèi)菀资躌F干擾的影響。RF干擾可能會引起導(dǎo)航精度的降低或接收機跟蹤的完全丟失。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接收機的設(shè)計中,更要考慮到路面狀況和車載本身移動性所造成的干擾。[!--empirenews.page--]
 
                    表1:各種RF干擾類型

2.3射頻前端設(shè)計要求
    接收機的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的擴譜信號。到達天線的衛(wèi)星信號功率大約為-130dBm,深埋于熱噪聲電子之下(-114dBm/MHz).因此RF前端必須將該信號放大到某一電平之上,使得該信號可以為數(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)即最后一級中頻IF。從RF到IF的轉(zhuǎn)換可通過一級或幾級下變頻實現(xiàn),IF與轉(zhuǎn)換級數(shù)的選擇對RF設(shè)計是很重要的。目前GPS接收機的設(shè)計大都采用二級或多級轉(zhuǎn)換將RF變到IF。這是因為在不同頻率點分配增益穩(wěn)定性較好,并且由于更多的優(yōu)化濾波可提高接收機抗干擾能力。
    上述三部分——放大、下變頻和濾波是接收機RF前端設(shè)計的主要部分,另外兩部分為自動增益控制(AGC)和本地振蕩信號發(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。不管下變頻級數(shù)多少,每級均要求一個穩(wěn)定的本地振蕩信號源,這可采用溫補晶振TCXO參考源及PLL鎖相壓控振蕩器VCO、倍頻器、分頻器來實現(xiàn)。   
    另外,GPS接收機噪聲系數(shù)是系統(tǒng)性能指標(biāo)應(yīng)考慮的又一問題。對于民用接收機前端噪聲系數(shù)為4~6dB時均可保證系統(tǒng)工作。

3.應(yīng)用于車載系統(tǒng)的GPS接收機的設(shè)計實現(xiàn)
3.1 GPS射頻前端的電路構(gòu)成
    GPS接收機的RF部分,通常是將天線接收到的GPS射頻信號,經(jīng)過低噪聲放大器(LNA)的濾波和放大,與本機振蕩器產(chǎn)生的正弦波信號進行混頻,形成中頻信號。大部分GPS接收機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。中頻信號除了在載波頻率上變低以外,RF信號的所有調(diào)制的信號信息都轉(zhuǎn)移到中頻信號上。在GPS接收機模擬部分與數(shù)字部分之間必須有個模數(shù)(A/D)變換器,有的直接采樣接收機面對的不是中頻信號,而是直接對RF信號進行A/D采樣。這在低價位的混合模擬(A/D)芯片中,未帶來優(yōu)勢,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接收機射頻前端的電路設(shè)計。

圖3:GPS接收機射頻前端
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、三級混頻器、2比特A/D轉(zhuǎn)換器。前端接收1575.42MHz衛(wèi)星信號,通過三級變頻轉(zhuǎn)換為4.309MHz IF。當(dāng)前端與相關(guān)器配合使用時,后者提供5.714MHz采樣時鐘,將IF轉(zhuǎn)換為1.405MHz 2比特數(shù)字信號以電平輸出。第一級、第二級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)計中175.42MHz濾波器采用帶寬較寬的簡單的兩級LC參差調(diào)諧濾波器,而第二級則采用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,兩者性能是互補的。第三級輸出IF采用片內(nèi)濾波。其中增益量化表達式為:
-l 74dBm/Hz 19dBm+G1+G2+G3-21dB +63dB > -7dBm  其中:
    1)-7dBm=AGC工作時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。  
    由上述表達式可獲得對各級混頻增益的要求,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動態(tài)范圍為60dB,可滿足系統(tǒng)對增益的要求。

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)用于飛機導(dǎo)航、船舶進出港控制、各種車輛的定位與指揮調(diào)度、基站或無線本地環(huán)路定時等領(lǐng)域.近年來GPS系統(tǒng),已經(jīng)在大地測繪、海上漁用、車輛定位監(jiān)控、建筑、農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從九十年代我國引進GPS定位技術(shù)開始,經(jīng)過十多年的市場培育,GPS定位應(yīng)用進入了發(fā)展的最好時機,未來十年基于GPS的應(yīng)用將會改變我們的生活和工作方式。

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