2 GPS 接收模塊的靈敏度性能分析
從系統(tǒng)級的觀點(diǎn)來看,，GPS 接收機(jī)的靈敏度主要由兩個(gè)方面決定：一是接收機(jī)前端整個(gè)信號通路的增益及噪聲性能，二是基帶部分的算法性能,。其中,，接收機(jī)前端決定了接收信號到達(dá)基帶部分時(shí)的信噪比，而基帶算法則決定了解調(diào),、捕獲,、跟蹤過程所能容忍的最小信噪比。

2.1 接收機(jī)前端電路性能對靈敏度的影響
GPS 信號是從距地面20000km 的LEO（Low Earth Orbit,，低軌道衛(wèi)星）衛(wèi)星上發(fā)送到地面上來的,，其L1 頻段（fL1=1575.42MHz）自由空間衰減為：

按照GPS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo),，L1 頻段的C/A 碼信號的發(fā)射EIRP（Effective Isotropic RadiatedPower，有效通量密度）為P=478.63W（26.8dBw）([1][2]),，若大氣層衰減為A=2.0dB,，則 GPS 系統(tǒng)L1 頻段C/A 碼信號到達(dá)地面的強(qiáng)度為：

GPS ICD（Interface Control Document，接口控制文檔）文件（[3]）中給出的GPS 系L1 頻段C/A 碼信號強(qiáng)度最小值為-160dBw,，和上述結(jié)果一致,。在實(shí)際場景中，由于衛(wèi)星仰角的不同,、以及受樹木,、建筑物等的遮擋，L1 頻段C/A 信號到達(dá)地面的強(qiáng)度可能會(huì)低于 -160dBw,。
一般GPS 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

GPS 信號被天線接收下來后,，如果天線有源，則經(jīng)過濾波器和低噪放,，再通過電纜接到接收機(jī)部分,，接收機(jī)內(nèi)同樣經(jīng)過一級低噪放和一級濾波器，再進(jìn)入射頻前端模塊進(jìn)行下變頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理,。
上圖中,，天線后直接接濾波器進(jìn)行前置濾波，其作用在于防止寬帶干擾阻塞低噪放,，但會(huì)增大前級的噪聲系數(shù),，因此在選用器件時(shí)需要考慮采用插損盡量小的濾波器。天線的有源部分主要是用來補(bǔ)償從天線到接收模塊之間的電纜損耗,，如果天線和接收模塊之間的插損極小，則可以使用無源天線,。GPS 接收機(jī)前端的特性可以由整個(gè)接收機(jī)的G/T 值來表征。設(shè)GPS 接收機(jī)的射頻前端可以分n 級,，第i 級的增益,、噪聲系數(shù)、等效噪聲溫度分別為Gi、NFi,、Tei,，則GPS 接收機(jī)的總的等效噪聲溫度為：

由上式可知，整個(gè)接收機(jī)的噪聲溫度受前級影響最大，因此需要在前級采用較高增益,、較低噪聲系數(shù)的低噪聲放大器,。
系統(tǒng)的G/T 值為：

其中,，Ga 為天線增益,，Ta 為天線噪聲溫度。天線的噪聲溫度和天線大小,、信號頻率,、天線方向圖,、擺放位置等都有關(guān)系,，一般認(rèn)為GPS 天線噪聲溫度為Ta=100K,。 根據(jù)系統(tǒng)的G/T 值即可以得到在一定輸入信號功率下的接收載噪比：

其中，k=1.38e-23,，為Bolzmann 常數(shù)。
下表給出了采用有源天線的場景下常見的GPS 接收模塊前端載噪比計(jì)算：

表 1 有源天線場景下GPS 接收單元前端載噪比計(jì)算

從上表可以很明顯的看出,，影響系統(tǒng)載噪比的最主要因素是天線本身的增益和噪聲溫度，在天線無源部分性能確定的條件下,，天線有源部分則決定了整個(gè)系統(tǒng)的載噪比變化，而后級的鏈路增益和噪聲系數(shù)對系統(tǒng)載噪比基本沒有貢獻(xiàn),。

實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，由于電磁干擾的存在,，每一級都有可能引入新的噪聲,，后級的性能也會(huì)對系統(tǒng)載噪比產(chǎn)生重要影響,。因此,，需要重點(diǎn)考慮電磁干擾對系統(tǒng)性能帶來的損失。有源天線的主要目的是補(bǔ)償天線至接收機(jī)的電纜損耗,，對于天線和接收機(jī)比較接近的場景,，天線至接收機(jī)的損耗基本可以忽略，則可以直接采用無源天線,，通過提高接收機(jī)內(nèi)部第一級低噪聲放大器的增益和噪聲系數(shù)性能,，同樣可以達(dá)到采用有源天線的性能。第一級的噪聲系數(shù)決定了前級引入噪聲的大小,，而第一級的增益則決定了后級引入的噪聲對系統(tǒng)性能的影響,，第一級的增益越大，后級噪聲性能對系統(tǒng)性能的影響越小，但同時(shí)需要考慮整個(gè)信號通路至A/D 量化部分的總體增益,，以確保A/D 量化對信噪比的損失最小,。
下圖給出了接收機(jī)前級低噪聲放大器的噪聲系數(shù)對系統(tǒng)整體載噪比的影響，圖中還給出了不同增益天線的性能差異。實(shí)際中選用天線時(shí),，除天線增益外,，還需要考慮天線的方向圖,、不圓度以及軸比,、駐波系數(shù)等性能,。

圖 2 前級放大器噪聲系數(shù)對載噪比的影響
接收機(jī)前端的A/D 轉(zhuǎn)換過程也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)載噪比的降低,，A/D 量化對信噪比的影響主要和A/D 量化位數(shù)有關(guān),，一般認(rèn)為,，1bit 量化會(huì)導(dǎo)致1.96dB 的載噪比損失,，但該值的前提是中頻帶寬為無限寬。A/D 轉(zhuǎn)換的載噪比損失還和中頻帶寬有關(guān),，對于中頻帶寬等于C/A 碼帶寬而言，1bit 量化會(huì)導(dǎo)致3.5dB 的載噪比損失,，而3bit 量化帶來的載噪比損失為0.7dB （[4]）。
此外,，A/D 轉(zhuǎn)換對性能的影響還和A/D 量化最大閾值和噪聲的均方根（RMS）之間的比例有關(guān),。
接收機(jī)的熱噪聲基底為：

假設(shè)接收機(jī)帶寬為GPS C/A 碼的帶寬2.046MHz,，則熱噪聲基底的功率為：

該功率遠(yuǎn)大于GPS 輸入信號功率-130dBm，因此系統(tǒng)的增益控制以及A/D 量化閾值主要由熱噪聲確定,，與輸入信號強(qiáng)度基本無關(guān),。常用的GPS 射頻芯片中，A/D 量化和自動(dòng)增益控制部分的電路都是聯(lián)合設(shè)計(jì)的，根據(jù) A/D 量化閾值的要求設(shè)置自動(dòng)增益控制的控制電平,。

2.2 基帶算法性能對靈敏度的影響
基帶算法性能直接影響信號捕獲,、跟蹤以及解調(diào)過程對載噪比的最低要求,。GPS 信號 是一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng),，對于C/A 碼而言,，其擴(kuò)頻碼為碼長1023 的Gold 碼，碼速率為1.023Mcps，即每1ms 為一個(gè)C/A 碼周期。因此，可以通過提高本地碼和接收信號之間的積分時(shí)間來提高接收信號的載噪比,。
積分方式分為相干累積和非相干累積。相干累積是指直接用本地碼和接收信號按位相乘后再累加,，而非相干累積則是對相干累積的結(jié)果再進(jìn)行直接相加,。
相干累積結(jié)果可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算（[5]）：

其中，Δf 為本地本振與載波之間的頻率差,，T 為相干累積時(shí)間,， 0 CN 為到達(dá)基帶時(shí)的信號載噪比，單位為dBHz,， R(τ ) 為C/A 碼的自相關(guān)函數(shù),， Δφ 為初始相位差， D為信號調(diào)制的導(dǎo)航電文符號,， I
η 和Q η 分別為I 路和Q 路的噪聲,。
由公式(6)(7)可知，相干累積結(jié)果和相干累積時(shí)長非常相關(guān),，相干累積時(shí)間越長,，對輸入載噪比的要求越低，其靈敏度也就越高,，但累積時(shí)長過長,，由于頻偏Δf 的影響，上式中第一項(xiàng)值也會(huì)越小,，又會(huì)降低其靈敏度,。因此，一般高靈敏度的GPS 接收機(jī)都需要采用頻率穩(wěn)定度較高的TCXO 作為本振,，以降低本地頻率和載波頻率之間的偏差,。一般而言，高靈敏度的基帶算法對本振的穩(wěn)定度要求在8ppm 左右,，該穩(wěn)定度包括校正偏差,、老化以及溫度補(bǔ)償穩(wěn)定度，對于頻率校正穩(wěn)定度為2ppm,、老化穩(wěn)定度為5ppm 的TCXO 而言,，一般要求其溫度補(bǔ)償穩(wěn)定度在0.5ppm 以內(nèi)。

非相干累積結(jié)果為( 2 2 )
i i Σ I +Q ,，通過公式(6)(7)還可以看出,，當(dāng)采用非相干累積時(shí)，
由于I
η 和Q η 的存在,，其信噪比會(huì)比相干累積有所降低,。
下圖給出了不同頻率偏移情況下相干累積結(jié)果隨相干時(shí)長變化的情況,。由圖中可以看出，當(dāng)頻偏較小的情況下,，可以選擇較長的相干時(shí)長以達(dá)到較高的相干累積結(jié)果,。

圖 3 相干時(shí)長與相干累積結(jié)果的關(guān)系

2.3 高接收靈敏度的GPS 接收機(jī)設(shè)計(jì)
根據(jù)本文前述內(nèi)容的分析可知，要設(shè)計(jì)高接收靈敏度的GPS 接收機(jī),，需要從以下幾個(gè)方面著手：
1,、 要有好的抗干擾和隔離設(shè)計(jì)，由于GPS 信號屬于弱信號,，信號強(qiáng)度在-130dBm 左右，因此射頻通道內(nèi)任何一級引入的干擾都有可能極大地影響系統(tǒng)的接收信噪比,，因此,，需要從電路設(shè)計(jì)上做到抗干擾和隔離，尤其是地線的設(shè)計(jì),，差的地線設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)信噪比降低6dB 以上,；
2、 需要最小化接收機(jī)噪聲,，即盡可能提高系統(tǒng)的G/T 值,，這可以從盡量降低前級噪聲系數(shù)、提高前級增益等方面進(jìn)行,，但同時(shí)還需要考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍,，全通道增益不能過大；
3,、 要有好的基帶算法,，包括對信噪比要求極低的捕獲、跟蹤算法,，這一點(diǎn)目前在業(yè)界很多GPS 基帶芯片內(nèi)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn),；
4、 需要高穩(wěn)定度的本振,，這也是好的基帶算法能夠工作的必要前提,。

3 總結(jié)
隨著GPS 應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，業(yè)界對GPS 接收機(jī)的靈敏度要求也越來越高,。GPS 接收機(jī)的靈敏度主要受兩個(gè)部分的限制：一是接收機(jī)前端電路包括天線部分的設(shè)計(jì),，二是接收機(jī)基帶算法的設(shè)計(jì)。其中,，接收機(jī)前端電路決定了接收信號到達(dá)基帶部分時(shí)的信噪比,，而基帶算法則決定了解調(diào)、捕獲,、跟蹤過程所能容忍的最小信噪比,。本文針對上述兩個(gè)方面的原理分別進(jìn)行了闡述,，并給出了高靈敏度接收機(jī)設(shè)計(jì)的建議。

本文來自：我愛研發(fā)網(wǎng)(52RD.com) - R&D大本營
詳細(xì)出處：http://www./Blog/Detail_RD.Blog_zhangsbo_30178.html?Method=90474&#Flag_Comment