GPS接收机射频前端电路的原理和设计

使用GPS卫星实现导航和定位时，用户接收机的主要任务是提取卫星信号中的伪随机噪声代码和数据代码，以进一步解决接收机载波位置，速度和时间的导航问题（PVT）等信息. 因此，GPS接收机是至关重要的用户设备. 当前实际使用的GPS电路通常由四个部分组成: 天线单元，射频单元，通信单元和计算单元，如图1所示. 1.通过对GPS卫星信号组成的分析，给出了射频前端GP2010的原理和应用.

1 GPS卫星信号的组成

GPS卫星信号是使用典型的码分多址（CDMA）调制技术合成的（如图2所示），其完整信号主要包括载波，伪随机码和数据码这三个分量. 信号载波在L频带中，两个载波的中心频率分别表示为L1和L2. 卫星信号的参考时钟频率f0为10.23 MHz，信号载波L1的中心频率为f0频率的154倍，即:

fL1 = 154×f0 = 1575.42MHz（1）

波长λ1= 19.03cm;信号载波L2的中心频率是f0频率的120倍，即:

fL2 = 120×f0 = 1227.60MHz（2）

波长λ2= 24.42厘米. 两个载波之间的频率差为347.82MHz，约为L2的2​​8.3％. 这样gps接收机组成，当导航信号从GPS卫星传播到接收机时，选择载波频率便于测量或消除由电离层效应引起的传播延迟误差. 伪随机噪声码（PRN），即测距码，主要包括精细测距码（P码）和粗略测距码（C / A码）. P码的编码率为10.23MHz，C / A码的编码率为1.023MHz. 数据代码是GPS卫星以二进制形式发送给用户的导航定位数据，也称为导航消息或D代码. 它主要包括卫星日历，卫星时钟校正，电离层延迟校正，工作状态信息，C / A码转换. 捕获所有卫星的P码信息和粗略星历；消息总长度为1500位，分为5个子帧，每个子帧在6s内发送10个字，每个字有30位，共300位，因此数据的代码波特率为50bps.

分别在同相和正交模式下，在L1载波上调制数据代码和两个伪随机代码. 在L2载波上，仅P代码用于双相调制，因此L1和L2的完整卫星信号为: <

SL1（t）= AcCi（t）Di（t）sin（ωL1t+φc）（3）

+ ApPi（t）Di（t）cos（ωL1t+φP1）

SL2（t）= BpPi（t）Di（t）cos（ωL2t+φp2）（4）

式中，Ap，Bp，Ac分别为P码和C / A码的幅度； Pi（t）和Ci（t）分别是对应于P码和C / A码的伪随机序列码. Di（t）是卫星导航电文数据代码； ωL1，ωL2是L1和L2载波信号的角频率； φC和φP1，φP2分别是对应于载波的起始相位的C / A码和P码. 合成后的GPS信号被传输到全世界，并且可以被用来随时随地解决导航和定位信息.

2 GPS的灵敏度

GPS的信号检测质量取决于信噪比. 当它是“理想的接收机”时，接收机输入端的信噪比Si / Ni与输出端的信噪比So / No相同. 因为实际的GPS具有内部噪声，所以（So / No）<（Si / Ni）;噪声越大，输出信噪比越小，接收机性能越差，此时的接收机噪声系数为:

F =（Si / Ni）/（So / No）（5）

公式（5）表明，由于内部噪声，接收机输出端的信噪比是输入端的信噪比恶化的倍数. 根据公式（5），输入信号的额定功率可以表示为:

Si = NiFo（So / No）（6）

公式（6）使GPS能够在嘈杂的背景下接收卫星信号. 不仅必须将输出信号放大到足够的值，而且更重要的是，使输出信噪比So / No达到所需的比率. 令（So / No）≥（So / No）min对应于输入信号功率的最小可检测信号功率为Simin，通常用于表示的灵敏度. 由于的输入噪声额定功率

Ni = kT0Bn（7）

在等式（7）中，k是玻尔兹曼常数，k = 1.38×10 -23J / K，T0是单元电路在17°C的室内温度（290K，绝对温度），Bn是单元电路的带宽. 将方程式（7）代入方程式（6）可得出:

Si = kT0BnFo（So / No）（8）

可以进一步获得GPS接收机的灵敏度:

Simin = kT0BnFo（So / No）min（9）

从等式（9）可以看出，为了提高GPS的灵敏度，必须降低最小可检测信号功率Simin. 因此，一方面，在接收机电路设计中，有必要考虑尽可能减小接收机的总噪声因子Fo. 一方面，在噪声背景下，我们应该尝试提高GPS接收机输出端的信噪比So / No.

3个GPS天线单元

天线单元的主要功能是在空中接收GPS卫星信号，从而为RF前端提供相对纯净而完整的卫星信号. 在接收机设计中，当两个单元电路级联时（如图3所示），如果第一和第二单元电路的噪声系数和额定功率增益分别为F1，F2和G1，G2，则它们的带宽均为Is Bn 如果级联电路的总噪声系数为Fo，则其实际输出的额定噪声函数编号为:

否= kT0BnG1G2Fo（10）

由于No由两部分组成，即:

否= No12 +ΔN2（11）

其中No12是由于第一级单元电路的噪声引起的第二级单元电路输出处的额定噪声功率，ΔN2是第二级单元电路产生的噪声功率，并且

No12 = kToBnG1G2F1（12）

ΔN2= kToBnG2（F2-1）（13）

将方程式（12）和（13）代入方程式（11），然后

否= kToBnC1C2Fo

= kToBnG1G2F1 + kToBnG2（F2-1）（14）

简化（14），将两级单元电路级联后的总噪声系数为:

Fo = F1 +（F2-1）/ G1（15）

类似地，级联n级单元电路时的总噪声系数为:

Fo = F1 +（F2-1）/ G1 +（F3-1）/（G1G2）+Λ+（Fn-1）/（G1G2ΛGn-1）（16）

可以看出，级联后，GPS接收机中每级单位电路的内部噪声对总噪声系数的响应不同，级数越高的单位电路的噪声系数对级联的影响越大. 总噪声系数. 因此，总噪声系数主要取决于前几个单元电路的噪声系数. 其中，天线的热噪声对的性能影响最大. 因此，在设计中使用了接收天线，射频频带选择带通滤波器和高频低噪声放大器. LNA）和其他设备组成一个天线单元（如图4所示）. 天线单元由DC 5V供电，LNA使用高增益，低噪声的高频放大器MAAM12021，其增益高达21dB，噪声系数小于1.55dB，这对降低GPS的整体噪声系数；其工作频段为1.5〜1.6GHz，适合C / A码GPS接收机的频段要求，并可以满足高增益和低噪声系数的性能要求.

4个GPS射频单元

同时出现噪声总线. 在噪声背景下，尽可能提高输出端的信噪比是提高接收机灵敏度的重要措施. 由GPS接收机的天线单元接收并提供给射频单元的信号频率非常高，并且信道带宽非常窄. 为了直接滤除所需的通道，需要一个具有很大Q值的滤波器. 指数;另内解调GPS卫星信号是不实际的. 因此，在射频单元的设计中使用了“超外差”多级变频匹配区域匹配滤波器的电路结构，以消除噪声干扰并解决高频信号处理中遇到的困难. 适用于这种电路结构的芯片使用第二代GPSRF前端GP2010. 它使用44引脚方形框架封装，主要集成了频率合成器，混频器，自动增益控制（AGC）电路和数字量化器. GP2010接收到的信号频率与L1载波的卫星信号频率兼容，主要用于设计C / A码GPS接收机的射频单元. GPS微弱的高频信号通过超外差三电平混频电路，以消除其他信道干扰，获得足够的增益，解调并提取所需的中频信息. 图5显示了超外差下变频器的前两级和具有自动增益控制（AGC）电路的第三级混频器的工作原理图. 每次下变频后，输出信号的频率和幅度都会减小，并逐渐滤除其他信道和频段的干扰.

GP2010使用混频器将高频GPS信号移至非常低的IF频率，同时引入镜像频率干扰，而使用滤波器抑制镜像频率干扰的效果取决于镜像频率与信号之间的距离频率，或取决于中频的水平. 如果中频频率较高，则信号远离镜像频率，则可以大大抑制镜像频率分量. 相反，如果中频频率较低，则信号与镜像频率相差不大，滤波器对干扰的滤波效果相对较差. 由于频道选择是在中频下进行的，出于相同的原因，较高的中频需要较高的频道选择滤波器，因此镜像频率抑制和频道选择形成了矛盾，中频的选择成为平衡的关键. 矛盾. . 因此，在GPS接收机的设计中，通常使用两到三个频率转换来达到更好的折衷.

从图5可以看出，GP2010的三级逆变器使用三个中频滤波器，中心频率分别为175.42MHz，35.42MHz和4.309MHz. 片上集成锁相环（PLL）频率合成器提供所有级别混频器所需的本地振荡器信号（如图6所示）. 它主要由PLL振荡器电路，鉴相器，PLL环路滤波器，分频器和完整的1400MHz压控振荡器（VCO）等组成. PLL使用10.000MHz的参考频率. VCO的控制增益为150MHz / V，输出频率范围为1386-1414MHz. 为了提供高稳定性基准频率源，在设计中使用了温度补偿晶体振荡器（TCXO），以从5kΩ输入阻抗的基准频率向PLL振荡器提供10.000MHz的AC小信号频率. 当PLL相位锁定参考信号时，鉴相器输出逻辑高电平以指示该相位被锁定，锁相时间约6ms，环路增益约为150dB. 由VCO输出的1400MHz信号用作第一本地振荡器信号，通过其分频产生的140.0MHz和31.111MHz信号分别用作第二本地振荡器和第三本地振荡器信号. 当GP2010接收到1575.42MHz的GPS卫星信号时，可以通过三级变频获得4.309MHz的中频信号.

为了与通道单元和计算单元配合完成导航信号的数据提取和信号处理，在5.714MHz采样时钟的控制下，GP2010的片上集成数字量化器可以实现4.309MHz中频卫星信号的数字量化为通道单位相关器提供TTL电平的2位量化输出，即1.405MHz二进制符号和幅度数字信息，如图7所示. 频率卫星信号和采样的数字输出，该模块同时生成AGC控制信号，以稳定第三频率转换过程中产生的中频信号幅度（如图5（b）所示）.

简而言之，GP2000芯片组是由卓联半导体公司推出的一系列用于GPS设计的集成电路. 可以使用GP2000芯片组设计多通道卫星信号接收设备. 在GPS接收机的设计中gps接收机组成，天线单元的设计集中在频带选择和高频低噪声放大器对接收机总噪声系数的影响上，以提高接收机灵敏度. 射频单元采用频率合成，频率转换，自动增益控制等技术，依靠高质量的中频频率选择，镜像频率抑制和信道选择滤波器，对接收到的GPS信号进行频率转换，放大等一系列处理. ，滤波和采样以获得数字中频卫星信号. 精心设计的超，具有结构简单，体积小，重量轻，功耗低的优点.

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