复杂射频干扰环境下的高灵敏度GPS系统设计

星是以50bit/s的速率来发射信号，因此同步收齐四颗卫星一个完整帧数据的时间，至少需要30秒(即1500bps)，其中需花18秒下载广播星历。因此，冷启动与热启动的定位时间相差甚大，前者所需时间至少需要18~36秒，接收过程中如果出现了任何干扰而导致信号中断，那就得重新再接收一次。相比较之下，如果在GPS设备的内存中已有完整且有效的广播星历资料，只要确认目前在头顶上的四颗卫星，即可立即进行定位计算，定位动作甚至在1秒之内就可完成。

冷启动的首次定位时间由如下几项组成，接收机启动时间Twarm，捕获时间Tacq，跟踪时间Ttrack，导航电文读取时间Tced+gst，导航方案计算时间TPVT。而热启动仅仅包括捕获时间Tacq，跟踪时间Ttrack。一般而言，Twarm，Tced+gst，TPVT是相对固定的，而Ttrack和Tacq则决定了系统的首次定位时间长短。本文仅考虑射频干扰对Tacq和Ttrack的影响而忽略其它时间项从而简化了分析模型。在捕获和跟踪期间，系统通常有两种处理方法来提高解调增益：相干累积和非相干累积。

相干累积可以较大提高处理增益,但相干时长不能无限加长,因为20毫秒周期的导航电文会带来位翻转,从而影响相干结果.而非相干累积可以采用较大的累积时长来获得更大的增益.但是相对于相干累积而言,非相干累积存在平方损失, 考虑到该损失之后的非相干累积的总增益可由下式计算:

(4)

式(4)中第二项为非相干累积所带来的平方损失项，n为非相干累积的次数，直接决定非相干累积的持续时间，在给定检测概率Pd=0.9和虚警概率Pfa=1e-7时Dc(1)约等于21。

3、高性能GPS低噪声放大器对系统性能的提升

如图1所示，传统的GPS系统解决方案为GPS贴片电感直接与GPS接收IC相连接，该方案具有BOM成本低，占用手机内部空间小，布线简单等优点，但不可忽视的是，该方案的性能指标受到了一定的限制。由于手机内部和周边环境的射频干扰非常嘈杂，GPS接收IC往往会受其影响而导致接收性能下降;除此之外，由于受手机PCB布线局限，GPS贴片天线一般距离接收IC较远，两者之间的PCB走线插损也对系统性能造成了不可忽视的影响。

图1 传统的GPS系统解决方案和改进方案对比

改进方案则加入了SAW滤波器和AW5005 GPS前置低噪声放大器，SAW滤波器可以有效滤除带外射频信号的干扰，低噪声放大器则进一步降低了系统的噪声系数，有效的提高了系统性能。上海艾为电子技术有限公司推出了全新的GPS前置低噪声放大器AW5005，相对于传统方案，AW5005极为有效的提高了GPS系统性能，降低了复杂射频环境下的GPS系统设计难度。

图2所示为没有AW5005和加入AW5005的GPS系统在不同灵敏度下的首次定位时间TTFF的区别。从图2可以看出，无论在高低灵敏度条件下，拥有AW5005的系统TTFF远远小于缺少AW5005的GPS系统。

图2 没有/加入AW5005前端模块的GPS系统在不同灵敏度下的TTFF

我们由公式(3)可知，接收IC前端的噪声系数会影响系统的灵敏度。对于图1中的改进方案，系统的级联噪声系数可由下式决定：

(5)

式(5)中，ILSAW为SAW滤波器的插损，NFLNA和PGLNA分别为LNA的噪声系数和功率增益，ILTRACE为走线插损，NFRX为接收IC的噪声系数。从式(5)可知LNA的噪声系数直接影响灵敏度，在相同的灵敏度要求下，LNA噪声系数越小，首次定位时间也随之变小，其变化的趋势如图3所示。同理TTFF随LNA的功率增益变化趋势如图所示，LNA的功率增益越大，TTFF越小，当LNA的增益较小时，TTFF的变化趋势较快;当LNA的功率增益大于16dB时，TTFF受其影响变小。

图3 系统TTFF随LNA噪声系数和功率增益的变化曲线

LNA之前的SAW滤波器可以有效的滤除带外的射频干扰。但是正如前文分析的，GPS的输入信号非常微弱，目前绝大多数的商用SAW滤波器的带外抑制都较为有限，即使经过SAW滤波器的干扰信号依然对GPS的输入信号造成了严重的影响，因此LNA的线性度就至关重要：在相同的输入信号强度下，线性度较差的LNA所需的首次定位时间要比线性度好的LNA长。按照带外干扰信号的类型来划分，主要有如下三种：

(1)带外强干扰造成LNA增益下降，噪声系数上升。

一般手机在GSM频段的最高发射功率可达33dBm，假定GSM天线到GPS/WLAN天线的隔离度为20dB(包括天线之间的VSWR失配)，SAW滤波器的带外抑制为30dB，则LNA输入端看到的最大输入信号功率为-17dBm，当手靠近手机时GSM天线的VSWR会发生明显变化，该强干扰信号的强度可能会高达-15dBm，如此强的干扰会导致LNA输入饱和，从而其功率增益和噪声系数会恶化，GPS系统性能受到严重影响。

图4 系统TTFF随LNA 1dB压缩点的变化曲线

图4所示是TTFF随LNA的1dB压缩点P1