復雜射頻干擾環(huán)境下的高靈敏度GPS系統設計

1引言

GPS功能已成為智能手機的標準配置。隨著(zhù)便攜式設備市場(chǎng)的爆發(fā)性成長(cháng)，手機環(huán)境下的射頻干擾，已經(jīng)成為GPS系統設計者最為頭疼的問(wèn)題之一。在如此嘈雜的射頻干擾環(huán)境下設計高靈敏度的GPS系統，已經(jīng)是手機設計中最大的挑戰。

本文將對采用前置低噪聲放大器的GPS系統進(jìn)行研究，通過(guò)增加前置低噪聲放大器的方法，GPS系統的靈敏度和首次定位時(shí)間將得到明顯提高，且抗干擾能力更強。

2 GPS系統簡(jiǎn)介

目前GPS功能已成為智能手機中的標準配置。導航服務(wù)是GPS的一大應用，在手機中集成GPS，可以非常輕松地實(shí)現車(chē)輛的自主導航，用戶(hù)將不再因為迷路耽誤自己的行程，便捷而實(shí)用。越來(lái)越多帶GPS功能的手機反過(guò)來(lái)將會(huì )推動(dòng)位置服務(wù)(LBS)的發(fā)展。LBS應用通過(guò)手機的位置信息可以滋生出很多增值服務(wù)，比如幫助用戶(hù)找到附近的飯店、銀行、交通服務(wù)設施等，這種服務(wù)將是未來(lái)信息領(lǐng)域一個(gè)主要的新興市場(chǎng)。在可預見(jiàn)的未來(lái)，GPS功能將會(huì )隨著(zhù)手機功能的拓展而衍生出越來(lái)越多的應用。

但是與此同時(shí)，手機中集成的GPS系統也面臨著(zhù)日益嚴重的問(wèn)題。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展和手機功能的不斷增多，各種射頻標準的相互干擾問(wèn)題凸顯。目前手機中集成的射頻標準主要有第二代數字通信標準GSM，第三代TD-SCDMA/WCDMA，藍牙Bluetooth，調頻收音FM-radio，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)WLAN等等。在設計手機系統時(shí)，必須考慮電磁干擾（EMI）和電磁兼容EMC）的問(wèn)題，以避免相應的功能受到環(huán)境干擾而性能受損，甚至無(wú)法工作的惡劣影響。盡管各個(gè)國家和地區已經(jīng)建立了相應的電磁規范以規避上述問(wèn)題，但手機設計和制造廠(chǎng)商依然面臨著(zhù)日益復雜和嚴峻的挑戰。

相對于其它無(wú)線(xiàn)通信系統而言，GPS系統的輸入信號功率非常微弱。按照GPS系統的設計規范，GPS信號是從距離地面約兩萬(wàn)公里的低軌衛星上發(fā)送到地面上的固定或移動(dòng)裝置，以地面接收裝置距離衛星的地平面仰角50度為例，GPS的L1頻段中心頻率為1575.42MHz，則自由空間衰減F可由下式計算：

(1)

則接收到的GPS信號L1頻段功率Pr可近似由下式計算得到：

P_r=P_s-F-Loss (2)

衛星的有效發(fā)射功率P_s為26.8dBW，自由空間衰減F約為183dBc，額外的大氣損耗Loss約為3.7dBc，這樣得到的GPS系統L1頻段CA碼信號的地面強度約為-160dBW，即-130dBm。在實(shí)際使用過(guò)程中，由于衛星發(fā)射和地面接收機的仰角不同，以及受樹(shù)木，建筑，橋梁等的遮擋，一般GPS信號到達地面的強度甚至可能遠遠低于-130dBm。

而其它的通信系統中，GSM900發(fā)射功率為33dBm，GSM1800和GSM1900均為30dBm，WLAN為14～20dBm，Bluetooth為0到10dBm，其最大強度大約是GPS信號的10的15次方倍，即1000萬(wàn)億倍！即使在GPS接收機前端增加傳統的SAW帶通濾波器，由于干擾信號的頻段距離GPS的頻段較近，一般只能提供額外的30～40dB隔離度，遠遠不足以將干擾信號衰減到忽略不計的程度。如此惡劣的射頻環(huán)境給GPS系統設計帶來(lái)了非常嚴峻的挑戰。

對系統設計者而言，GPS系統有幾個(gè)比較關(guān)鍵的設計指標，如靈敏度Sensitivity和首次定位時(shí)間（簡(jiǎn)稱(chēng)TTFF）等等。手機中的GPS系統常常受到外部射頻干擾的影響，此時(shí)的干擾可以看作噪聲的一部分，在降低信噪比參數的同時(shí)，靈敏度指標也隨著(zhù)惡化，首次定位時(shí)間TTFF延長(cháng)，直至完全無(wú)法搜索到GPS信號。

讓我們來(lái)看一下射頻干擾是如何影響GPS系統性能的。一般而言，GPS系統的靈敏度可由下式?jīng)Q定：

靈敏度Sensitivity[in dBm]

式(3)中，第一項Eb/N0由GPS系統的基帶BPSK解調性能決定的，第二項中，R_b是GPS基帶信號碼率，C/A碼中R_b等于50赫茲，即20毫秒的相干累積時(shí)長(cháng)所得到的處理增益；第三項Gp是系統非相干積累增益；第四項N₀為系統天線(xiàn)端口的熱噪聲功率譜密度，在室溫下等于-174dBm/Hz，第五項為GPS系統的噪聲系數。前三項代表了GPS基帶部分所帶來(lái)的性能限制，而后兩項則代表了射頻部分所帶來(lái)的性能限制。在GPS的系統設計中，靈敏度的提高也是通過(guò)提高兩個(gè)方面來(lái)得以實(shí)現，一部分是基帶的E_b/N₀解調性能，另外一部分則是射頻部分的噪聲系數NF性能。

除了靈敏度是消費者最關(guān)心的GPS系統指標之外，首次定位時(shí)間（TTFF）也直接影響消費者的切身體驗。GPS設備的TTFF與其啟動(dòng)條件有關(guān)，可以分為三種情況：一是接收器本身完全無(wú)有效衛星數據的冷啟動(dòng)(Cold Start)；一是接收器具有有效的星歷數據、時(shí)間和起始位置，稱(chēng)為暖啟動(dòng)(Warm Start)；如果再具有更準確的廣播星歷數據，則稱(chēng)為熱啟動(dòng)(Hot Start)。