GPS接收機(jī)中高頻通道的仿真

　　目前，GPS系統(tǒng)已被廣泛地應(yīng)用到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。隨著GPS定位理論研究的不斷深入以及硬件的不斷改進(jìn)，GPS定位系統(tǒng)也日益完善。本文將從軟件實(shí)驗(yàn)的角度分析GPS接收機(jī)高頻通道的工作原理；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)增益分配方案，分析下變頻電路的噪聲特性，同時(shí)給出高頻通道電路在System View平臺(tái)上的系統(tǒng)仿真結(jié)果。

　　1 接收機(jī)的天線和傳輸損耗

　　GPS信號(hào)由于使用了碼元速率fb1=1.023MHz的擴(kuò)頻碼(C/A碼)，調(diào)制后信號(hào)將占用2.046MHz帶寬。L1波段(1575.42MHz)信號(hào)的功率譜密度示意圖如圖1所示。擴(kuò)頻后信號(hào)帶寬在fL1=1575.42MHz中心頻率的帶寬為2.046MHz，接收機(jī)天線的帶寬覆蓋范圍至少應(yīng)滿足fL1±fb1=1 575.42±1.023MHz。

　　接收機(jī)接收的最小功率必須大于-160dBW(-130dBm)，為保證這一點(diǎn)，C/A碼調(diào)制的L1載波衛(wèi)星發(fā)射功率必須達(dá)到21.9W (13.4dBW也即43.4dBm)。如果發(fā)射機(jī)的輸出功率為43.4dBm，按最小接收機(jī)輸入電平-130dBm計(jì)算，即感應(yīng)在接收機(jī)天線上的信號(hào)電平最小為-130dBm，則后面仿真所列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是在假設(shè)傳輸損耗為173.4dB時(shí)得到的。

　　2 接收機(jī)高頻通道設(shè)計(jì)

　　2.1接收通道工作原理

　　GPS接收機(jī)將天線接收的L1波段粗碼(C/A碼)調(diào)制的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)濾波、預(yù)放后，傳到后置放大器進(jìn)行再放大，混頻得到較低的中頻信號(hào)。這樣，經(jīng)過下變頻后，中心頻率從fL1移到了中頻fIF,但是頻譜中各分量之間的相比關(guān)系并不改變。以三級(jí)下變頻為例，接收通道的模塊圖如圖2所示,其中天線、濾波和放大器1構(gòu)成動(dòng)態(tài)天線部分。

　　RF載波下變頻后形成的中頻信號(hào)中心頻率：
fIF3=fL1-fLO1-fLO2-fLO3=1575.42-1400-140-31.111=4.309MHz。其中，fLO1、fLO2和fLO3為三級(jí)本振頻率?；祛l的相關(guān)頻率如表1所示。

　　2.2 接收通道增益設(shè)計(jì)

　　現(xiàn)在計(jì)算從輸入端到二次混頻后的總增益。當(dāng)?shù)谌位祛l輸入正弦電壓的有效值達(dá)20mV時(shí)達(dá)到硬限幅。按最小接收機(jī)輸入電平約-160dBW(-130dBm)計(jì)算，在50Ω的輸入阻抗上的電壓為：

　　按從輸入端到通道限幅器前總增益大于109dB計(jì)算，各級(jí)增益分配如下：

　　前置放大器增益：19dB；
　　2m電纜損耗：-2.5dB；
　　后置放大器增益：50dB；
　　二次混頻增益：-10+(-7)=-17dB；
　　中頻放大器增益：80dB；
　　合計(jì)總增益：129.5dB?？紤]到接收機(jī)動(dòng)態(tài)下信號(hào)強(qiáng)度下降8dB，這樣輸入到限幅器輸入端總增益為121.5dB。如此設(shè)計(jì)的通道總增益滿足整機(jī)靈敏度要求。

　　大部分混頻變換增益(75dB)發(fā)生在第三次混頻——將第二次35.42MHz的IF信號(hào)變換到IF輸出頻率4.3MHz處。因此SAW(聲表面波)濾波器的輸出是IF鏈路上對(duì)外部干擾最敏感的部分。第三次混頻的增益控制范圍為60dB。

　　2.3 通道噪聲特性分析與計(jì)算

　　在GPS接收機(jī)中整個(gè)RF前端的噪聲特性(NF)如式(1)所示：

　　其中：F 1：動(dòng)態(tài)天線LNA的噪聲特性(dB)；
　　F 2：射頻—中頻轉(zhuǎn)換模塊(除IF濾波器外的所有電路模塊)的噪聲特性(dB)；
　　G1：動(dòng)態(tài)天線LNA的RF信號(hào)增益(dB)；
　　L1：LNA之后由于RF濾波和電纜引入的RF信號(hào)損耗。

　　這里，取動(dòng)態(tài)天線LNA的增益+26dB，噪聲特性1.5dB；取射頻—中頻轉(zhuǎn)換模塊(例如GP2015)的噪聲特性為9dB；從動(dòng)態(tài)天線到射頻前端 (包括附加的RF陶瓷帶通濾波器)的同軸電纜長(zhǎng)度引入的損耗是可變的。假設(shè)電纜長(zhǎng)2m，帶通濾波器插損(考慮整體損耗L1)為2.5dB。因此由式(1) 可得：

　　則接收機(jī)高頻通道的噪聲特性是1.6dB。

　　對(duì)于一個(gè)既定的動(dòng)態(tài)天線的LNA噪聲特性， LNA增益越高，在射頻—中頻轉(zhuǎn)換部分整體接收到的噪聲特性的獨(dú)立性越小。從噪聲特性上來說，GPS接收機(jī)最好使用帶有低噪聲放大特性的動(dòng)態(tài)天線，天線帶有合適的高LNA增益(>19dB)和非常小的電纜損耗(<-2dB)。

　　3 高頻通道電路的系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

　　依據(jù)圖2高頻通道的原理圖，以及前面分析的增益分配和噪聲特性，構(gòu)建了它的System View系統(tǒng)仿真電路。