基于车载系统的GPS接收机射频前端设计

1．引言

GPS（GLOBLE POSItiONING SYSTEM）是一种可以定时和测距的空间交会定点导航系统，它可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和实践信息。GPS提供两种服务：标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）。

利用GPS技术进行地面机动车辆的导航定位，无论在军用或民用领域，都有着广泛而重要的应用价值。现在各国正处于应用中的自动车辆定位导航（AVLN）系统组成方案具有多样性，但就其系统结构而言主要包括三大部分：车载系统、通信系统、中心控制管理系统。

车载系统应用环境的特殊性对威廉希尔官方网站性能具有更高的要求，而射频威廉希尔官方网站的设计是实现高性能的关键。如果射频威廉希尔官方网站设计不好，接收机的噪限灵敏度和信噪比以及其它技术指标都会大大下降，从而影响所接收信号的效果。

图1所示为自动车辆定位导航（AVLN）系统组成框图，其中GPS接收机前端中射频威廉希尔官方网站的设计将是本文讨论的重点。

图1：自动车辆定位导航（AVLN）系统组成框图

郝思雨

2019-6-26 10:03:02

2．GPS接收机射频前端的设计要求

2.1 GPS接收机的基本组成

大多数接收机有多个通道，每一个通道跟踪来自一颗卫星的发射信号。图2给出了一般性的多通道GPS接收机的方框图。

图2：一般GPS接收机基本结构框图
接收到的RF CDMA卫星信号先用一个无源的带通滤波器滤波，以减小带外射频干扰。常规情况下后面接着是一个预放。然后射频信号下变频到中频（IF）。在典型的现代接收机方案中，用A/D变换器对IF信号采样和数字化。A/D采样速率典型情况下为PRN基码速率的8~12倍。最小采样速率是码的带止带宽的2倍以满足奈魁斯特判据。过采样会降低接收机对于A/D量化噪声敏感度，因而减少在A/D变换器中所需的位数。采样送到数字信号处理器中。DSP中包含N个并行通道，以同时跟踪来自最多达N颗卫星的载频和码。每个通道中包含码和载波跟踪环，以完成码和载波相位测量，以及导航电文数据的解调。

2．2射频干扰对跟踪的影响

因为GPS接收机依赖于外部RF信号，所以它们容易受RF干扰的影响。RF干扰可能会引起导航精度的降低或接收机跟踪的完全丢失。表1概括了各种RF干扰类型。RF干扰可能是无意的或有意的。尤其在车载GPS接收机的设计中，更要考虑到路面状况和车载本身移动性所造成的干扰。

表1：各种RF干扰类型

2.3射频前端设计要求

接收机的RF部分包括从天线到数字处理器之间的所有部件。这一定义明确表示RF前端包括RF放大器、滤波器、下变频器、增益控制和本地信号发生器。RF前端也包括天线及支持RF工作的供电线路等。我们知道，C/A码是以码速率1.023MHz调制在1575.42MHz的扩谱信号。到达天线的卫星信号功率大约为-130dBm，深埋于热噪声电子之下(-114dBm／MHz)．因此RF前端必须将该信号放大到某一电平之上，使得该信号可以为数字处理器所利用，假定该电平为0dBm/MHz，则要求前端总增益不低于110dB。

RF威廉希尔官方网站还必须将载波1575MHz下变频到数字处理器工作频率范围之内即最后一级中频IF。从RF到IF的转换可通过一级或几级下变频实现，IF与转换级数的选择对RF设计是很重要的。目前GPS接收机的设计大都采用二级或多级转换将RF变到IF。这是因为在不同频率点分配增益稳定性较好，并且由于更多的优化滤波可提高接收机抗干扰能力。

上述三部分——放大、下变频和滤波是接收机RF前端设计的主要部分，另外两部分为自动增益控制(AGC)和本地振荡信号发生器。RF硬件最后一部分是产生所要求的本地振荡信号。不管下变频级数多少，每级均要求一个稳定的本地振荡信号源，这可采用温补晶振TCXO参考源及PLL锁相压控振荡器VCO、倍频器、分频器来实现。

另外，GPS接收机噪声系数是系统性能指标应考虑的又一问题。对于民用接收机前端噪声系数为4~6dB时均可保证系统工作。

李辰圻

2019-6-26 10:03:08

3．应用于车载系统的GPS接收机的设计实现

3．1 GPS射频前端的威廉希尔官方网站构成

GPS接收机的RF部分，通常是将天线接收到的GPS射频信号，经过低噪声放大器（LNA）的滤波和放大，与本机振荡器产生的正弦波信号进行混频，形成中频信号。大部分GPS接收机的本振采用的是精密的石英晶体振荡器为基准的频率综合器。中频信号除了在载波频率上变低以外，RF信号的所有调制的信号信息都转移到中频信号上。在GPS接收机模拟部分与数字部分之间必须有个模数（A/D）变换器，有的直接采样接收机面对的不是中频信号，而是直接对RF信号进行A/D采样。这在低价位的混合模拟（A/D）芯片中，未带来优势，直接采样不但要高速A/D转换器，更重要的是增加了后面数字部分的处理工作量。如下图3为应用于车载的GPS接收机射频前端的威廉希尔官方网站设计。

图3：GPS接收机射频前端

3．2 射频前端技术参数的设定

RF前端包括1400MHzPLL频率合成器、低噪放大器、三级混频器、2比特A/D转换器。前端接收1575.42MHz卫星信号，通过三级变频转换为4.309MHz IF。当前端与相关器配合使用时，后者提供5.714MHz采样时钟，将IF转换为1.405MHz 2比特数字信号以电平输出。第一级、第二级混频均为平衡开集输入输出，要求外部直流偏置及滤波。设计中175.42MHz滤波器采用带宽较宽的简单的两级LC参差调谐滤波器，而第二级则采用1dB带宽为1.9MHz的声表面滤波器，具有较好的带外抑制能力，对系统滤波性能起了决定性的作用。另外，两种滤波器的插入损耗也是不同的，前者较低而后者较高，从整体上来说，两者性能是互补的。第三级输出IF采用片内滤波。其中增益量化表达式为：

l 74dBm／Hz 19dBm+G1+G2+G3-21dB +63dB > -7dBm  其中：

1）-7dBm＝AGC工作时IF输出所要求的典型电平

2）-174dBm／Hz＝RF输入的背景噪声电平

3）19dB＝低噪放大器增益与噪声系数之和

4）-21dBm＝175MHz、35.42MHz滤波器插入损耗之和(175MHz滤波器插入损耗:0~5 dB，35.42MHz滤波器插入损耗:14dB~16dB)

5）63dB＝2MHz带宽内噪声之和。

由上述表达式可获得对各级混频增益的要求，即： G1+G2+G3＞106dB

G1、G2、G3增益及AGC增益范围为:

G1：11dB~25dB

G2：22dB~33dB

G3：106dB~G1-G2，最大为75dB 。

AGC动态范围为60dB，可满足系统对增益的要求。

冯虎虔

2019-6-26 10:03:10

4.小结

随着通讯技术和半导体集成技术的发展，GPS系统已被广泛应用于飞***导航、船舶进出港控制、各种车辆的定位与指挥调度、***本地环路定时等领域．近年来GPS系统，已经在大地测绘、海上渔用、车辆定位监控、建筑、农业等各个领域得到广泛应用。从九十年代我国引进GPS定位技术开始，经过十多年的市场培育，GPS定位应用进入了发展的最好时***，未来十年基于GPS的应用将会改变我们的生活和工作方式。

李浯

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郝思雨

李辰圻

冯虎虔

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