仅需很少外围器件的低成本GPS接收机设计

在商用和专用无线应用中，全球定位卫星的L1波段信号最微弱。GPS接收机天线收到的信号功率通常都淹没在热噪声基底中。为成功地恢复出这些微弱信号，接收机必须具有足够高的接收灵敏度，并能抑制带外干扰。本文主要讨论在设计一个外围元件很少的低成本商用GPS接收机时应该考虑的关键系统参数。这种系统的目标接收灵敏度为-139dBm。

全球定位系统(GPS)是一种精密的卫星导航系统，由美国国防部投资构建。该系统由24颗绕地球旋转的卫星组成，卫星连续不断地发送位置和时间信息。这些卫星均匀地分布在6个轨道上，每个轨道有4 颗卫星。地面GPS接收机可接收5到12颗卫星信号。为实现地面定位功能，GPS接收机至少需要接收4个卫星信号，其中3个信号用来计算GPS接收机的纬度、经度和海拔高度，第四个信号提供同步时间校准[1]。

如图1所示，每颗卫星都在两个载波上发送独立的直序扩频(DSSS)信号。之所以使用扩频技术，是因为它具有很好的抗窄带干扰能力。第一个载波频率驻留在L1波段(中心频率为1575.42MHz)，另一个载波频率驻留在L2波段(中心频率为1227.6MHz)。L1波段主要用于民用设备，包含两个信号。一个为粗略测距捕获码(C/A码)，另一个为精确测距码(P码)。L2波段仅用于军事设备，只有P码。所有24颗卫星的L1波段卫星信号都能够占用相同频段而互不干扰，经过上变频发射后，它们都通过32种伪随机噪声(PRN)码中的1种扩频到2.046MHz带宽上。

图1. L1和L2波段中P码和C/A码GPS信号

通过PRN码扩频后的GPS信号不但可以与其它信号区分开来，而且还具有抗干扰能力。抗干扰能力主要取决于系统的处理增益。处理增益越高，GPS信号的扩展频带就越宽。如果将信号扩展到很宽的频带，信号受窄带干扰破坏的几率将大大降低。信号经过解扩后，窄带干扰被扩展。对GPS应用来说，每个PRN码序列的长度为1023位，扩频率为1.023Mbps [2]。处理增益被定义为：

处理增益 = 10 log (码片率/数据速率) = 43dB     (式1)

本例中，码片率 = 1.023Mcps，数据速率 = 50bps。

解扩后GPS信号的质量决定了GPS接收机的精度，它由比特误码率(BER)来量化。假设要求基带处理器的BER为10-5，则用于BPSK调制的相关器的Eb/N0不小于9.5dB (AWGN受控) [3]。Eb/N0定义为每比特能量与噪声谱密度的比值。从所要求的9.5dB的相关器Eb/N0中减去43dB的处理增益，可以得到相关器输入端的信噪比(SNR)为-33.5dB。假设软件GPS的工作损耗为3.5dB，则量化器输入端的信噪比(SNRQUANTIZER)为-30dB。在整个2.046MHz采样带宽内，总体噪声功率(kTB，T = +290°K)近似为-111dBm。为获得-139dBm的目标灵敏度，需要接收机的串联噪声系数(NF)等于-28dB的天线端信噪比(SNRANTENNA = -139dBm/-111dBm)与-30dB的SNRQUANTIZER之差。

NF = SNRANTENNA - SNRQUANTIZER = -28dB - (-30dB) = 2dB     (式2)

随着GPS应用成为手机及其它个人手持设备集成方案的一部分，同一单元电路在不同应用中的干扰承受能力非常关键。评估抗干扰能力的一种方法是测量接收机灵敏度降低-1dB时的参数。以一个具有GPS功能的CDMA双频手机为例：CDMA手机功率放大器的典型发射功率为+25dBm，假设采用三频滤波器和GPS带通滤波器实现70dB的带外(OOB)信号隔离，则GPS 接收机要求能承受-45dBm的带外干扰信号强度。

为降低成本和尺寸，大多数制造商在设计多功能设备时更愿意使用一个公用的参考时钟。而传统的GPS接收机只能工作在16.36MHz参考时钟下，如果GPS接收机是一个独立单元，则不需要灵活的参考时钟输入。由于目前的手持设备存在多种参考频率，如10.0MHz、13MHz、14.4MHz、19.2MHz、20.0MHz和26.0MHz，所以当低成本和小尺寸特性变得越来越重要时，选择一个具有灵活的参考输入的GPS接收机将非常有助于设计。

Maxim的集成GPS接收机MAX2741可以满足所有这些要求。MAX2741集成了一个频率合成器，合成器通过接收2MHz至26MHz的参考时钟可灵活地进行频率配置。由于采用外部LNA，MAX2741的串联噪声系数小于2dB。另外，对于800MHz手机频带和1800MHz PCS频带的干扰，该芯片灵敏度降低-1dB时功率维持在-37dBm，满足-45dBm的带外干扰抑制要求。

通常利用专用GPS基带处理器集成电路计算接收到的PRN码和GPS接收器中已知PRN码的相关性，具有突破性创新的软件GPS技术的出现，使GPS的相关处理和计算不再需要专用的基带处理器，而是由驻留在应用处理器中的软件实现。节省一个专用的基带处理器不但大大降低了系统成本，还能显著缩小GPS解决方案的尺寸。

MAX2741与软