摘 要: 分析了GPS接收機高頻通道的工作原理" title="工作原理">工作原理，給出一種GPS接收機高頻通道的增益設計方案及其噪聲特性" title="噪聲特性">噪聲特性;在此基礎上構建了System View系統仿真電路，并給出相應的仿真結果。此研究對開展相關領域的研究工作具有借鑒意義。
關鍵詞: GPS 高頻通道 增益 噪聲特性 System View仿真
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目前，GPS系統已被廣泛地應用到人們生活的各個領域。隨著GPS定位理論研究的不斷深入以及硬件的不斷改進，GPS定位系統也日益完善。本文將從軟件實驗的角度分析GPS接收機高頻通道的工作原理；在此基礎上，設計一個增益分配方案，分析下變頻" title="下變頻">下變頻電路的噪聲特性，同時給出高頻通道電路在System View平臺上的系統仿真結果。
1 接收機的天線和傳輸損耗
GPS信號由于使用了碼元速率fb1=1.023MHz的擴頻" title="擴頻">擴頻碼(C/A碼)，調制后信號將占用2.046MHz帶寬。L1波段(1575.42MHz)信號的功率譜密度示意圖如圖1所示。擴頻后信號帶寬在fL1=1575.42MHz中心頻率的帶寬為2.046MHz，接收機天線的帶寬覆蓋范圍至少應滿足fL1±fb1=
1 575.42±1.023MHz。
接收機接收的最小功率必須大于-160dBW(-130dBm)，為保證這一點，C/A碼調制的L1載波衛星發射功率必須達到21.9W(13.4dBW也即43.4dBm)。如果發射機的輸出功率為43.4dBm，按最小接收機輸入電平-130dBm計算，即感應在接收機天線上的信號電平最小為-130dBm，則后面仿真所列的實驗數據都是在假設傳輸損耗為173.4dB時得到的。
2 接收機高頻通道設計
2.1接收通道工作原理
GPS接收機將天線接收的L1波段粗碼(C/A碼)調制的擴頻信號經濾波、預放后，傳到后置放大器進行再放大，混頻得到較低的中頻信號。這樣，經過下變頻后，中心頻率從fL1移到了中頻fIF,但是頻譜中各分量之間的相比關系并不改變。以三級下變頻為例，接收通道的模塊圖如圖2所示,其中天線、濾波和放大器1構成動態天線部分。
RF載波下變頻后形成的中頻信號中心頻率：
fIF3=fL1-fLO1-fLO2-fLO3=1575.42-1400-140-31.111=4.309MHz。其中，fLO1、fLO2和fLO3為三級本振頻率。混頻的相關頻率如表1所示。
2.2 接收通道增益設計
現在計算從輸入端到二次混頻后的總增益。當第三次混頻輸入正弦電壓的有效值達20mV時達到硬限幅。按最小接收機輸入電平約-160dBW(-130dBm)計算，在50Ω的輸入阻抗上的電壓為：
按從輸入端到通道限幅器前總增益大于109dB計算，各級增益分配如下：
前置放大器增益：19dB；
2m電纜損耗：-2.5dB；
后置放大器增益：50dB；
二次混頻增益：-10+(-7)=-17dB；
中頻放大器增益：80dB；
合計總增益：129.5dB。考慮到接收機動態下信號強度下降8dB，這樣輸入到限幅器輸入端總增益為121.5dB。如此設計的通道總增益滿足整機靈敏度要求。
大部分混頻變換增益(75dB)發生在第三次混頻——將第二次35.42MHz的IF信號變換到IF輸出頻率" title="輸出頻率">輸出頻率4.3MHz處。因此SAW(聲表面波)濾波器的輸出是IF鏈路上對外部干擾最敏感的部分。第三次混頻的增益控制范圍為60dB。
2.3 通道噪聲特性分析與計算
在GPS接收機中整個RF前端的噪聲特性(NF)如式(1)所示：
其中：F 1：動態天線LNA的噪聲特性(dB)；
F 2：射頻—中頻轉換模塊(除IF濾波器外的所有電路模塊)的噪聲特性(dB)；
G1：動態天線LNA的RF信號增益(dB)；
L1：LNA之后由于RF濾波和電纜引入的RF信號損耗。
這里，取動態天線LNA的增益+26dB，噪聲特性1.5dB；取射頻—中頻轉換模塊(例如GP2015)的噪聲特性為9dB；從動態天線到射頻前端(包括附加的RF陶瓷帶通濾波器)的同軸電纜長度引入的損耗是可變的。假設電纜長2m，帶通濾波器插損(考慮整體損耗L1)為2.5dB。因此由式(1)可得：
則接收機高頻通道的噪聲特性是1.6dB。
對于一個既定的動態天線的LNA噪聲特性， LNA增益越高，在射頻—中頻轉換部分整體接收到的噪聲特性的獨立性越小。從噪聲特性上來說，GPS接收機最好使用帶有低噪聲放大特性的動態天線，天線帶有合適的高LNA增益(>19dB)和非常小的電纜損耗(<-2dB)。
3 高頻通道電路的系統仿真實現
依據圖2高頻通道的原理圖，以及前面分析的增益分配和噪聲特性，構建了它的System View系統仿真電路。
3.1 信號源
這里信號源采用了簡單的方式，只模擬了一種C/A碼，然后與數據信號D碼進行模2相加，再調制到L1載波上，經傳輸損耗后到達接收天線，接收天線收到的信號是引入噪聲的擴頻信號。噪聲和干擾的仿真通過對仿真系統中加入假定噪聲或干擾信號來實現。這里，噪聲采用了溫度噪聲：阻抗=50Ω，噪聲溫度=300K。C/A碼以及經C/A碼調制的D碼圖形如圖3所示。其中，經C/A碼調制的D碼延時了5μs。
經L1載波調制的擴頻信號和接收機射頻前端接收到的RF信號如圖4所示。由圖可見，RF前端接收到的GPS信號淹沒在噪聲中。
3.2 接收到的中頻信號
第一級混頻產生的中頻輸出信號頻譜圖如圖5所示。其中，RF濾波器通帶中心頻率設置在1575.42MHz，2MHz通帶(-3dB)；第1個IF濾波器的中心頻率在175.42MHz，為兩極點的chebyshev響應，0.1dB波紋。混頻器為有源雙平衡混頻器。
由圖5可以看出第一級中頻輸出頻率在175.42MHz附近。
第二級混頻產生的中頻輸出信號頻譜圖如圖6(a)所示。其中，第2個IF濾波器為SAW帶通濾波器。中心頻率35.42MHz，通帶2MHz(±1dB)，插損14～18dB，止帶>10dB(±2M)，群延遲波紋<300ns(34.62～36.22MHz)，最大群延遲<1.7ns。SAW 通帶波紋0.8dB；SAW濾波器的頻率響應特性用通常的有限沖擊響應濾波器(FIR)來仿真。
將圖6局部放大后的頻譜圖如圖6(b)所示,可見第二級中頻輸出頻率在35.42MHz附近。
第三級混頻前利用限幅器將第三級混頻輸入電壓限制在20mV以內。第三級混頻產生的中頻輸出信號頻譜圖如圖7所示。由圖可見，第三級中頻輸出頻率在4.309MHz附近。第3個IF濾波器的中心頻率為4.3MHz。
本文從軟件實驗的角度分析了GPS接收機高頻通道的工作原理；設計了一個高頻通道的增益分配方案，同時分析了它的噪聲特性；在此基礎上，對高頻通道電路進行了系統仿真。實際使用時可根據所需要的干擾容限、增益等要求酌情調整。本研究對開展相關領域的研究工作具有借鑒意義。對接收鏈路中的信道特性，筆者將予以進一步關注。
參考文獻
1 Datasheet of GP2015:GPS receiver RF front end. http://www.zarlink.com
2 GP2000: GPS receiver hardware design application note. http://www.zarlink.com
3 datasheet of QuickMount micro GPS patch antenna AN-PC-131.http://www.macom.com
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6 王普德.GPS接收機高頻通道和頻率綜合器設計. 導航，1992；(2)