復(fù)雜射頻干擾環(huán)境下的高靈敏度GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1引言

GPS功能已成為智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。隨著便攜式設(shè)備市場(chǎng)的爆發(fā)性成長(zhǎng)，手機(jī)環(huán)境下的射頻干擾，已經(jīng)成為GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)者最為頭疼的問(wèn)題之一。在如此嘈雜的射頻干擾環(huán)境下設(shè)計(jì)高靈敏度的GPS系統(tǒng)，已經(jīng)是手機(jī)設(shè)計(jì)中最大的挑戰(zhàn)。

本文將對(duì)采用前置低噪聲放大器的GPS系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過(guò)增加前置低噪聲放大器的方法，GPS系統(tǒng)的靈敏度和首次定位時(shí)間將得到明顯提高，且抗干擾能力更強(qiáng)。

2 GPS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前GPS功能已成為智能手機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)配置。導(dǎo)航服務(wù)是GPS的一大應(yīng)用，在手機(jī)中集成GPS，可以非常輕松地實(shí)現(xiàn)車輛的自主導(dǎo)航，用戶將不再因?yàn)槊月返⒄`自己的行程，便捷而實(shí)用。越來(lái)越多帶GPS功能的手機(jī)反過(guò)來(lái)將會(huì)推動(dòng)位置服務(wù)(LBS)的發(fā)展。LBS應(yīng)用通過(guò)手機(jī)的位置信息可以滋生出很多增值服務(wù)，比如幫助用戶找到附近的飯店、銀行、交通服務(wù)設(shè)施等，這種服務(wù)將是未來(lái)信息領(lǐng)域一個(gè)主要的新興市場(chǎng)。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，GPS功能將會(huì)隨著手機(jī)功能的拓展而衍生出越來(lái)越多的應(yīng)用。

但是與此同時(shí)，手機(jī)中集成的GPS系統(tǒng)也面臨著日益嚴(yán)重的問(wèn)題。隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展和手機(jī)功能的不斷增多，各種射頻標(biāo)準(zhǔn)的相互干擾問(wèn)題凸顯。目前手機(jī)中集成的射頻標(biāo)準(zhǔn)主要有第二代數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)GSM，第三代TD-SCDMA/WCDMA，藍(lán)牙Bluetooth，調(diào)頻收音FM-radio，無(wú)線局域網(wǎng)WLAN等等。在設(shè)計(jì)手機(jī)系統(tǒng)時(shí)，必須考慮電磁干擾（EMI）和電磁兼容EMC）的問(wèn)題，以避免相應(yīng)的功能受到環(huán)境干擾而性能受損，甚至無(wú)法工作的惡劣影響。盡管各個(gè)國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)建立了相應(yīng)的電磁規(guī)范以規(guī)避上述問(wèn)題，但手機(jī)設(shè)計(jì)和制造廠商依然面臨著日益復(fù)雜和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

相對(duì)于其它無(wú)線通信系統(tǒng)而言，GPS系統(tǒng)的輸入信號(hào)功率非常微弱。按照GPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，GPS信號(hào)是從距離地面約兩萬(wàn)公里的低軌衛(wèi)星上發(fā)送到地面上的固定或移動(dòng)裝置，以地面接收裝置距離衛(wèi)星的地平面仰角50度為例，GPS的L1頻段中心頻率為1575.42MHz，則自由空間衰減F可由下式計(jì)算：

(1)

則接收到的GPS信號(hào)L1頻段功率Pr可近似由下式計(jì)算得到：

P_r=P_s-F-Loss (2)

衛(wèi)星的有效發(fā)射功率P_s為26.8dBW，自由空間衰減F約為183dBc，額外的大氣損耗Loss約為3.7dBc，這樣得到的GPS系統(tǒng)L1頻段CA碼信號(hào)的地面強(qiáng)度約為-160dBW，即-130dBm。在實(shí)際使用過(guò)程中，由于衛(wèi)星發(fā)射和地面接收機(jī)的仰角不同，以及受樹(shù)木，建筑，橋梁等的遮擋，一般GPS信號(hào)到達(dá)地面的強(qiáng)度甚至可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于-130dBm。

而其它的通信系統(tǒng)中，GSM900發(fā)射功率為33dBm，GSM1800和GSM1900均為30dBm，WLAN為14～20dBm，Bluetooth為0到10dBm，其最大強(qiáng)度大約是GPS信號(hào)的10的15次方倍，即1000萬(wàn)億倍！即使在GPS接收機(jī)前端增加傳統(tǒng)的SAW帶通濾波器，由于干擾信號(hào)的頻段距離GPS的頻段較近，一般只能提供額外的30～40dB隔離度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以將干擾信號(hào)衰減到忽略不計(jì)的程度。如此惡劣的射頻環(huán)境給GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言，GPS系統(tǒng)有幾個(gè)比較關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo)，如靈敏度Sensitivity和首次定位時(shí)間（簡(jiǎn)稱TTFF）等等。手機(jī)中的GPS系統(tǒng)常常受到外部射頻干擾的影響，此時(shí)的干擾可以看作噪聲的一部分，在降低信噪比參數(shù)的同時(shí)，靈敏度指標(biāo)也隨著惡化，首次定位時(shí)間TTFF延長(zhǎng)，直至完全無(wú)法搜索到GPS信號(hào)。

讓我們來(lái)看一下射頻干擾是如何影響GPS系統(tǒng)性能的。一般而言，GPS系統(tǒng)的靈敏度可由下式?jīng)Q定：

靈敏度Sensitivity[in dBm]

式(3)中，第一項(xiàng)Eb/N0由GPS系統(tǒng)的基帶BPSK解調(diào)性能決定的，第二項(xiàng)中，R_b是GPS基帶信號(hào)碼率，C/A碼中R_b等于50赫茲，即20毫秒的相干累積時(shí)長(zhǎng)所得到的處理增益；第三項(xiàng)Gp是系統(tǒng)非相干積累增益；第四項(xiàng)N₀為系統(tǒng)天線端口的熱噪聲功率譜密度，在室溫下等于-174dBm/Hz，第五項(xiàng)為GPS系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。前三項(xiàng)代表了GPS基帶部分所帶來(lái)的性能限制，而后兩項(xiàng)則代表了射頻部分所帶來(lái)的性能限制。在GPS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，靈敏度的提高也是通過(guò)提高兩個(gè)方面來(lái)得以實(shí)現(xiàn)，一部分是基帶的E_b/N₀解調(diào)性能，另外一部分則是射頻部分的噪聲系數(shù)NF性能。

除了靈敏度是消費(fèi)者最關(guān)心的GPS系統(tǒng)指標(biāo)之外，首次定位時(shí)間（TTFF）也直接影響消費(fèi)者的切身體驗(yàn)。GPS設(shè)備的TTFF與其啟動(dòng)條件有關(guān)，可以分為三種情況：一是接收器本身完全無(wú)有效衛(wèi)星數(shù)據(jù)的冷啟動(dòng)(Cold Start)；一是接收器具有有效的星歷數(shù)據(jù)、時(shí)間和起始位置，稱為暖啟動(dòng)(Warm Start)；如果再具有更準(zhǔn)確的廣播星歷數(shù)據(jù)，則稱為熱啟動(dòng)(Hot Start)。