電子技術(shù)應(yīng)用 高洪民 費(fèi)元春

　　摘要：在天線單元設(shè)計(jì)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(jí)單元電路對(duì)接收機(jī)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(shí)現(xiàn)了射頻單元的三級(jí)變頻方案，并介紹了高穩(wěn)定度本振蕩信號(hào)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(jìn)制數(shù)字中頻衛(wèi)星信號(hào)。

　　關(guān)鍵詞：GPS接收機(jī) 靈敏度 超外差 鎖相環(huán)頻率合成

    利用GPS衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位時(shí)，用戶接收機(jī)的主要任務(wù)是提取衛(wèi)星信號(hào)中的偽隨機(jī)噪聲碼和數(shù)據(jù)碼，以進(jìn)一步解算得到接收機(jī)載體的位置、速度和時(shí)間（PVT）等導(dǎo)航信息。因此，GPS接收機(jī)是至關(guān)重要的用戶設(shè)備。目前實(shí)際應(yīng)用的GPS接收機(jī)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(hào)組成的基礎(chǔ)上，給出了射頻前端GP2010的原理及應(yīng)用。
　　

    1 GPS衛(wèi)星信號(hào)的組成

    GPS衛(wèi)星信號(hào)采用典型的碼分多址（CDMA）調(diào)制技術(shù)進(jìn)行合成（如圖2所示），其完整信號(hào)主要包括載波、偽隨機(jī)碼和數(shù)據(jù)碼等三種分量。信號(hào)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(hào)參考時(shí)鐘頻率f0為10.23MHz，信號(hào)載波L1的中心頻率為f0的154倍頻，即：

    fL1=154×f0=1575.42MHz     (1)

    其波長(zhǎng)λ1=19.03cm；信號(hào)載波L2的中心頻率為f0的120倍頻，即：

    fL2=120×f0=1227.60MHz     (2)

    其波長(zhǎng)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(cè)得或消除導(dǎo)航信號(hào)從GPS衛(wèi)星傳播至接收機(jī)時(shí)由于電離層效應(yīng)而引起的傳播延遲誤差。偽隨機(jī)噪聲碼（PRN）即測(cè)距碼主要有精測(cè)距碼（P碼）和粗測(cè)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(jìn)制形式發(fā)送給用戶接收機(jī)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(gè)子幀，每個(gè)子幀在6s內(nèi)發(fā)射10個(gè)字，每個(gè)字30位，共計(jì)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(jī)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(jìn)行雙相調(diào)制，因此L1和L2的完整衛(wèi)星信號(hào)分別為：

    SL1（t）=AcCi(t)Di(t)sin(ωL1t+φc)     (3)

    +ApPi(t)Di(t)cos(ωL1t+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(duì)應(yīng)P碼和C/A碼的偽隨機(jī)序列碼；Di(t)為衛(wèi)星導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)碼;ωL1、ωL2分別為L(zhǎng)1和L2載波信號(hào)的角頻率；φC和φP1、φP2分別為C/A碼和P碼對(duì)應(yīng)于載波的起始相位。合成的GPS信號(hào)向全球發(fā)射，隨時(shí)隨地供接收機(jī)解算導(dǎo)航定位信息使用。

    2 GPS接收機(jī)的靈敏度

    GPS接收機(jī)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)質(zhì)量取決于信噪比，當(dāng)其為“理想接收機(jī)”時(shí)，接收機(jī)輸入端的信噪比Si/Ni與其輸出端的信噪比So/No相同。由于實(shí)際GPS接收機(jī)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(jī)的性能越差，此時(shí)接收機(jī)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(jī)輸出端信噪比相對(duì)于輸入端信噪比變差的倍數(shù)，由式（5），輸入信號(hào)額定功率可表示為：

    Si=NiFo(So/No)     (6)

    式（6）給出了GPS接收機(jī)在噪聲背景下接收衛(wèi)星信號(hào)的能力，接收機(jī)不僅要將輸出信號(hào)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(dá)到所需比值。令（So/No）≥(So/No)min時(shí)對(duì)應(yīng)的接收機(jī)輸入信號(hào)功率的最小可檢測(cè)信號(hào)功率為Simin，通常用它表示接收機(jī)的靈敏度。由于接收機(jī)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(duì)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(jìn)一步得到GPS接收