gps接收機射頻前端電路原理與設(shè)計

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1、GPS接收機射頻前端電路原理與設(shè)計

2、第1內(nèi)容顯示中摘要：在天線單元設(shè)計中采用了高頻、低噪聲放大器，以減弱天線熱噪聲及前面幾級單元電路對接收機性能的影響；基于超外差式電路結(jié)構(gòu)、鏡頻抑制和信道選擇原理，選用GP2010芯片實現(xiàn)了射頻單元的三級變頻方案，并介紹了高穩(wěn)定度本振蕩信號的合成和采樣量化器的工作原理，得到了導(dǎo)航電文相關(guān)提取所需要的二進制數(shù)字中頻衛(wèi)星信號。　　關(guān)鍵詞：GPS接收機靈敏度超外差鎖相環(huán)頻率合成利用GPS衛(wèi)星實現(xiàn)導(dǎo)航定位時，用戶接收機的主要任務(wù)是提取衛(wèi)星信號中的偽隨機噪聲碼和數(shù)據(jù)碼，以進一步解算得到接收機載體的位置、速度和

3、時間（PVT）等導(dǎo)航信息。因此，GPS接收機是至關(guān)重要的用戶設(shè)備。目前實際應(yīng)用的GPS接收機電路一般由天線單元、射頻單元、通信單元和解算單元等四部分組成，如圖1所示。本文在分析GPS衛(wèi)星信號組成的基礎(chǔ)上，給出了射頻前端GP2010的原理及應(yīng)用?！　?GPS衛(wèi)星信號的組成GPS衛(wèi)星信號采用典型的碼分多址（CDMA）調(diào)制技術(shù)進行合成（如圖2所示），其完整信號主要包括載波、偽隨機碼和數(shù)據(jù)碼等三種分量。信號載波處于L波段，兩載波的中心頻率分別記作L1和L2。衛(wèi)星信號參考時鐘頻率f0為10.23MHz，信號載波L1的中心頻率為f0的154倍頻

4、，即：fL1=154×f0=1575.42MHz(1)其波長λ1=19.03cm；信號載波L2的中心頻率為f0的120倍頻，即：fL2=120×f0=1227.60MHz(2)其波長λ2=24.42cm。兩載波的頻率差為347.82MHz，大約是L2的28.3%，這樣選擇載波頻率便于測得或消除導(dǎo)航信號從GPS衛(wèi)星傳播至接收機時由于電離層效應(yīng)而引起的傳播延遲誤差。偽隨機噪聲碼（PRN）即測距碼主要有精測距碼（P碼）和粗測距碼（C/A碼）兩種。其中P碼的碼率為10.23MHz、C/A碼的碼率為1.023MHz。數(shù)據(jù)碼是GPS衛(wèi)星以二進制

5、形式發(fā)送給用戶接收機的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，又叫導(dǎo)航電文或D碼，它主要包括衛(wèi)星歷、衛(wèi)星鐘校正、電離層延遲校正、工作狀態(tài)信息、C/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的信息和全部衛(wèi)星的概略星歷；總電文由1500位組成，分為5個子幀，每個子幀在6s內(nèi)發(fā)射10個字，每個字30位，共計300位，因此數(shù)據(jù)碼的波特率為50bps。　　數(shù)據(jù)碼和兩種偽隨機碼分別以同相和正交方式調(diào)制在L1載波上，而在L2載波上只用P碼進行雙相調(diào)制，因此L1和L2的完整衛(wèi)星信號分別為：SL1（t）=AcCi(t)Di(t)sin(ωL1t+φc)(3)+ApPi(t)Di(t)cos(ωL1t

6、+φP1)SL2(t)=BpPi(t)Di(t)cos(ωL2t+φp2)(4)式中，Ap、Bp、Ac分別為P碼和C/A碼的振幅；Pi(t)、Ci(t)分別為對應(yīng)P碼和C/A碼的偽隨機序列碼；Di(t)為衛(wèi)星導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)碼;ωL1、ωL2分別為L1和L2載波信號的角頻率；φC和φP1、φP2分別為C/A碼和P碼對應(yīng)于載波的起始相位。合成的GPS信號向全球發(fā)射，隨時隨地供接收機解算導(dǎo)航定位信息使用。2GPS接收機的靈敏度GPS接收機對信號的檢測質(zhì)量取決于信噪比，當(dāng)其為“理想接收機”時，接收機輸入端的信噪比Si/Ni與其輸出端的信噪比S

7、o/No相同。由于實際GPS接收機存在內(nèi)部噪聲，使得（So/No）<(Si/Ni)；而噪聲越大，輸出信噪比越越小，則接收機的性能越差，此時接收機的噪聲系數(shù)為：F=（Si/Ni）/(So/No)(5)式（5）表明由于內(nèi)部噪聲影響，接收機輸出端信噪比相對于輸入端信噪比變差的倍數(shù)，由式（5），輸入信號額定功率可表示為：Si=NiFo(So/No)(6)式（6）給出了GPS接收機在噪聲背景下接收衛(wèi)星信號的能力，接收機不僅要將輸出信號放大到足夠的數(shù)值，更重要的是要使輸出端的信噪比So/No達到所需比值。令（So/No）≥(So/No)m

8、in時對應(yīng)的接收機輸入信號功率的最小可檢測信號功率為Simin，通常用它表示接收機的靈敏度。由于接收機的輸入噪聲額定功率　　Ni=kT0Bn（7）式（7）中k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K,T0為單元電路的室內(nèi)溫度17℃（290K，絕對溫度），Bn為單元電路的帶寬。將式（7）代入式（6）可得：Si=kT0BnFo(So/No)(8)于是可進一步得到GPS接收機的靈敏度為：Simin=kT0BnFo(So/No)min（9）由式（9）可知，為了提高GPS接收機的靈敏度，就要減少最小可檢測信號功率Simin，因此在接收機

9、電路設(shè)計中一方面要考慮盡量降低接收機的總噪聲系數(shù)Fo，另一方面應(yīng)設(shè)法提高噪聲背景下GPS接收機輸出端的信噪比So/No。3GPS接收機天線單元天線單元的主要功能是接收空中GPS衛(wèi)星信號，從而為接收機射頻前端提供較為純凈的完整衛(wèi)星信號。