基于靈敏度設計GPS 接收機

摘 要: 根據GPS 接收機的定位原理和GPS 接收機靈敏度分析接收機性能， 發現靈敏度主要與前端電路和基帶有著密切關系。據此對GPS 的天線前端電路設計濾波器和低噪聲放大器， 并對電路的其他方面提出要求， 考慮包含處理器和大量邏輯門電路的Cyclo ne 器件， 并通過配置嵌入式軟核處理設計GPS 接收機。

　　GPS 系統在海運方面因能夠提供連續、高精度的船位， 在保證船舶安全經濟方面和保證在計劃航線上航行有著極為重要的作用。高靈敏度的GPS 接收機要求接收機在衛星信號較弱的場景下仍然能夠實現定位和跟蹤。GPS 接收系統的靈敏度指標包括跟蹤靈敏度、捕獲靈敏度和初始啟動靈敏度。目前GPS 接收機基本上可以實現跟蹤靈敏度在- 160 dBm 以下， 同時初始啟動的靈敏度和捕獲靈敏度也分別可以達到- 142dBm 和- 148 dBm 以下。

　　1 GPS 接收機靈敏度分析

　　GPS 接收機的靈敏度主要由兩個方面決定:

　　一是接收機前端信號通路的增益及噪聲性能， 二是基帶部分的算法性能。接收機前端決定了接收信號到達基帶部分時的信噪比; 基帶算法則決定了解調、捕獲、跟蹤過程需要最小信噪比。

　　GPS 衛星的導航載波信號是L 頻段( L 1 : 19cm; L2 : 24 cm) 的電波信號， 現行GPS 工作衛星采用L 波段的三種導航信號， 分別為L 1、L2、L3 ，其載波頻率分別為: 1 575 42、1 227 60 和1 381. 05 MHzGPS 信號是從距地面20 000 km 的衛星發送到地面， 其L 1頻段( f L1 = 1 575. 42 MHz) 自由空間衰減為:

　　根據GPS 接口控制文檔( interface cONt ro ldocument ， ICD) 規定GPS 系統L 1頻段C/ A 碼信號強度的最小值為- 160 dBW， 而GPS 系統設計該頻段中C/ A 碼信號發射的有效通量密度( effect ive isot ro pic radiated pow er， EIRP) 為P=478. 63 W( 26. 8 dBW) [ 4] ， 若大氣層衰減為2. 0dBW， 那么GPS 系統L 1 頻段C/ A 碼信號到達地面的強度為:

　　實際上由于GPS 接收機所對應的衛星仰角、受障礙物遮擋的原因， L 1 頻段C/ A 信號到達接收機的強度可能會低于- 160 dBW。

　　2 GPS 接收機結構

　　GPS 接收機電路結構見圖1。

圖1 GPS接收機電路結構

　　提高GPS 接收機的靈敏度最重要是在接收前端減少最小可檢測信號功率， 降低接收機的總噪聲系數， 這樣才能從噪聲背景下提高信噪比。天線部分的第一級濾波器的作用是前置濾波， 是防止干擾影響低噪聲放大， 不過他也增大了前級的噪聲系數， 因此要選用小插損的濾波器， 如采用卡爾曼濾波技術可以極大地提高接收機精度。