GPS接收机射频前端电路

GPS接收机射频前端电路

GPS receiver rf circuit

[摘要]在GPS设计中采用了高频、低噪声放大器，以减弱天线热噪声及前面几级单元电路对接收机性能的影响；基于超外差式电路结构、镜频抑制和信道选择原理，选用芯片实现了射频单元的三级变频方案。概述了GPS接收机基本工作原理，提出了一种基于GP2000射频前端电路的GPS接收机方案。详细说明GP2000射频放大器的设计原理以及外围匹配电路设计方法。重点叙述了接收机软硬件设计思路和方法。

关键词：GPS；前置放大；变频；相关器。

Abstract: In the design of high frequency used the GPS, low noise amplifier to abate antenna thermal noise and front level in the receiver unit circuit performance influence. Specialized superheterodyne type circuit based on structure, mirror frequency suppression and channel selection principle, choose chip realized the rf unit level 3 frequency conversion plan. Summarizes the basic working principle of GPS receiver, and puts forward a kind of GP2015 rf circuit based on the GPS receiver scheme. Details GP2015 rf design principle and peripheral amplifier matching circuit design method. Key described hardware and software design idea and method for the receive.

Keywords: GPS,preamplifier,Frequency conversion,correlator

引言：GPS(全球定位系统)以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，使其用途越来越广泛。GPS卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即GPS信号接收机，就可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。GPS信号接收机的功能是能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对接收到的GPS信号进行变换、放大和处理、以便测量出GPS 信号从卫星接收机天线的传播时间，解译GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的3维位置甚至3维速度和时间。目前，卫星导航的应用已经遍及军事、航海、航空、测量、交通、勘测等几乎一切与位置、速度、时间有关的人类活动中。在各种全球定位系统不断发展的同时，GPS用户端设备也处于不断升级和发展之中。

正文：利用GPS卫星实现导航定位时，用户接收机的主要任务是提取卫星信号中的伪随机噪声码和数据码，以进一步解算得到接收机载体的位置、速度和时间（PVT）等导航信息。因此，GPS接收机是至关重要的用户设备。目前实际应用的GPS接收机电路一般由天线单元、射频单元、通道单元和解算单元等四部分组成，如图1所示。

1.GPS 接收机基本结构

从接收机的结构来看，随着VLSI(超大规模集成电路)和DSP(数字信号处理)技术的发展，单通道序贯式、时分多路复用式接收机早已为采用了DSP模块的并行多通道接收机所代替，所能达到的通道数和等效相关器数不断增加，集成度更高的内嵌MPU／MCU 的GPS 基带处理器芯片成为主流。卫星定位信号接收机的硬件系统主要由天线单元、射频模块、基带处理模块和电源模块组成。其结构如图1 所示。

GPS卫星信号采用典型的码分多址（CDMA）调制技术进行合成（如图2所示），其完整信号主要包括载波、伪随机码和数据码等三种分量。信号载波处于L波段，两载波的中心频率分别记作L1和L2。卫星信号参考时钟频率f0为10.23MHz，信号载波L1的中心频率为f0的154倍频，即：fL1=154×f0=1575.42MHz (1)

其波长λ1=19.03cm；信号载波L2的中心频率为f0的120倍频，

即：fL2=120×f0=1227.60MHz (2)

其波长λ2=24.42cm。两载波的频率差为347.82MHz，大约是L2的28.3%，这样选择载波频率便于测得或消除导航信号从GPS卫星传播至接收机时由于电离层效应而引起的传播延迟误差。伪随机噪声码（PRN）即测距码主要有精测距码（P码）和粗测距码（C/A码）两种。其中P码的码率为10.23MHz、C/A码的码率为1.023MHz。数据码是GPS卫星以二进制形式发送给用户接收机的导航定位数据，又叫导航电文或D码，它主要包括卫星历、卫星钟校正、电离

层延迟校正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的信息和全部卫星的概略星历；总电文由1500位组成，分为5个子帧，每个子帧在6s内发射10个字，每个字30位，共计300位，因此数据码的波特率为50bps。

数据码和两种伪随机码分别以同相和正交方式调制在L1载波上，而在L2载波上只用P码进行双相调制，因此L1和L2的完整卫星信号分别为：

SL1（t）=AcCi(t)Di(t)sin(ωL1t+φc) +ApPi(t)Di(t)cos(ωL1t+φP1) (3)

SL2（t）=BpPi(t)Di(t)cos(ωL2t+φp2) (4) 式中，Ap、Bp、Ac分别为P码和C/A码的振幅；Pi(t)、Ci(t)分别为对应P码和C/A码的伪随机序列码；Di(t)为卫星导航电文数据码;ωL1、ωL2分别为L1和L2载波信号的角频率；φC 和φP1、φP2分别为C/A码和P码对应于载波的起始相位。合成的GPS信号向全球发射，随时随地供接收机解算导航定位信息使用。

2 GPS接收机的灵敏度

GPS接收机对信号的检测质量取决于信噪比，当其为“理想接收机”时，接收机输入端的信噪比Si/Ni与其输出端的信噪比So/No相同。由于实际GPS接收机存在内部噪声，使得（So/No）<(Si/Ni)；而噪声越大，输出信噪比越越小，则接收机的性能越差，此时接收机的噪声系数为：

F=（Si/Ni）/(So/No) (5)

式（5）表明由于内部噪声影响，接收机输出端信噪比相对于输入端信噪比变差的倍数，由式（5），输入信号额定功率可表示为：

Si=NiFo(So/No) (6)

式（6）给出了GPS接收机在噪声背景下接收卫星信号的能力，接收机不仅要将输出信号放大到足够的数值，更重要的是要使输出端的信噪比So/No达到所需比值。令（So/No）≥(So/No)min时对应的接收机输入信号功率的最小可检测信号功率为Simin，通常用它表示接收机的灵敏度。由于接收机的输入噪声额定功率

Ni=kT0Bn （7）

式（7）中k为玻尔兹曼常数，k=1.38×10 -23J/K,T0为单元电路的室内温度17℃（290K，绝对温度），Bn为单元电路的带宽。将式（7）代入式（6）可得：

Si=kT0BnFo(So/No) (8)

于是可进一步得到GPS接收机的灵敏度为：

Simin=kT0BnFo(So/No)min （9）