GPS接收机射频前端电路原理与设计

利用GPS卫星实现导航定位时，用户接收机的主要任务是提取卫星信号中的伪随机噪声码和数据码，以进一步解算得到接收机载体的位置、速度和时间（PVT）等导航信息。因此，GPS接收机是至关重要的用户设备。目前实际应用的GPS接收机电路一般由天线单元、射频单元、通信单元和解算单元等四部分组成，如图1所示。本文在分析GPS卫星信号组成的基础上，给出了射频前端GP2010的原理及应用。

1、GPS卫星信号的组成

GPS卫星信号采用典型的码分多址（CDMA）调制技术进行合成（如图2所示），其完整信号主要包括载波、伪随机码和数据码等三种分量。信号载波处于L波段，两载波的中心频率分别记作L1和L2。卫星信号参考时钟频率f0为10.23MHz，信号载波L1的中心频率为f0的154倍频，即：
fL1=154×f0=1575.42MHz (1)

其波长λ1=19.03cm；信号载波L2的中心频率为f0的120倍频，即：
fL2=120×f0=1227.60MHz (2)

其波长λ2=24.42cm。两载波的频率差为347.82MHz，大约是L2的28.3%，这样选择载波频率便于测得或消除导航信号从GPS卫星传播至接收机时由于电离层效应而引起的传播延迟误差。伪随机噪声码（PRN）即测距码主要有精测距码（P码）和粗测距码（C/A码）两种。其中P码的码率为10.23MHz、C/A码的码率为1.023MHz。数据码是GPS卫星以二进制形式发送给用户接收机的导航定位数据，又叫导航电文或D码，它主要包括卫星历、卫星钟校正、电离层延迟校正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的信息和全部卫星的概略星历；总电文由1500位组成，分为5个子帧，每个子帧在6s内发射10个字，每个字30位，共计300位，因此数据码的波特率为50bps。

数据码和两种伪随机码分别以同相和正交方式调制在L1载波上，而在L2载波上只用P码进行双相调制，因此L1和L2的完整卫星信号分别为：
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分别为P码和C/A码的振幅；Pi(t)、Ci(t)分别为对应P码和C/A码的伪随机序列码；Di(t)为卫星导航电文数据码;ωL1、ωL2分别为L1和L2载波信号的角频率；φC和φP1、φP2分别为C/A码和P码对应于载波的起始相位。合成的GPS信号向全球发射，随时随地供接收机解算导航定位信息使用。

2、GPS接收机的灵敏度

GPS接收机对信号的检测质量取决于信噪比，当其为"理想接收机"时，接收机输入端的信噪比Si/Ni与其输出端的信噪比So/No相同。由于实际GPS接收机存在内部噪声，使得（So/No）<(Si/Ni)；而噪声越大，输出信噪比越越小，则接收机的性能越差，此时接收机的噪声系数为：
F=（Si/Ni）/(So/No) (5)

式（5）表明由于内部噪声影响，接收机输出端信噪比相对于输入端信噪比变差的倍数，由式（5），输入信号额定功率可表示为：
Si=NiFo(So/No) (6)

 
式（6）给出了GPS接收机在噪声背景下接收卫星信号的能力，接收机不仅要将输出信号放大到足够的数值，更重要的是要使输出端的信噪比So/No达到所需比值。令（So/No）≥(So/No)min时对应的接收机输入信号功率的最小可检测信号功率为Simin，通常用它表示接收机的灵敏度。由于接收机的输入噪声额定功率
Ni=kT0Bn （7）

式（7）中k为玻尔兹曼常数，k=1.38×10 -23J/K,T0为单元电路的室内温度17℃（290K，绝对温度），Bn为单元电路的带宽。将式（7）代入式（6）可得：
Si=kT0BnFo(So/No) (8)

于是可进一步得到GPS接收机的灵敏度为：
Simin=kT0BnFo(So/No)min （9）

由式（9）可知，为了提高GPS接收机的灵敏度，就要减少最小可检测信号功率Simin，因此在接收机电路设计中一方面要考虑尽量降低接收机的总噪声系数Fo，另一方面应设法提高噪声背景下GPS接收机输出端的信噪比So/No。

3、GPS接收机天线单元

天线单元的主要功能是接收空中GPS卫星信号，从而为接收机射频前端提供较为纯净的完整卫星信号。在接收机设计中，当两个单元电路级联时（如图3所示），如果第一、二级单元电路的噪声系数和额定功率增益分别为F1、F2和G1、G2，其带宽均为Bn；设级联电路的总噪声系数为Fo，则其实际输出的额定噪声功能No为：
No=kT0BnG1G2Fo (10)

由于No由两部分组成，即：
No=No12+ΔN2 (11)

其中No12是由于第一级单元电路的噪声在第二级单元电路输出端呈现的额定噪声功率，ΔN2是由于第二级单元电路所产生的噪声功率，且
No12=kToBnG1G2F1 (12)
ΔN2=kToBnG2(F2-1) (13)

将式（12）、（13）代入式（11），则
No=kToBnC1C2Fo
=kToBnG1G2F1+kToBnG2(F2-1) (14)