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无线应用中高灵敏度GPS接收机的设计

上网日期: 2003年07月13日 ?? 作者: Solon Spiegel, *1, Andreas Thiel*1 and Peter Wang*2 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:GPS接收机? 无源天线? 集成? 隔离度?

最近中国成功发射了第三颗“北斗一号”导航定位卫星,它预示着中国GPS应用的??即将来临。本文向(中国)GPS设计工程师介绍在将GPS模块嵌入到其它无线通信系统过程中,如何将无源天线与GPS芯片组紧密结合起来,并达到噪声极低、灵敏度极高、线性度极佳和成本最低的设计策略。

本文分析了直接将无源天线集成至GPS系统对系统性能的影响问题。由于我们所讨论的系统采用了低增益低噪声的射频前端,系统间干扰较低,而且优化了模数转换器的装载方式,所以可以实现系统中GPS射频部分和高灵敏无源天线之间的连接。同时,耦合结构的精心设计又降低了接收机内的干扰。因而,得到的GPS接收机能够应用于移动无线通信频率范围,并具备高灵敏度和优化的抗干扰性能。本文给出了接收机动态范围、灵敏度和干扰情况的试验结果和仿真结果。由于系统内部隔离度较好,所以包括射频和数字基带部分在内,载噪比(carrier-to-noise ratio)总衰减低于5dB。

表1. 在有限系统间隔离和系统内隔离情况下的噪声耦合路径和CNR恶化机制。

问题的提出

将GPS集成到便携式移动设备中可以提供覆盖面积更广的定位服务。最近已有人提出并实现了基于定位技术的网络,然而这类基于网络的定位方法准确度依赖于基站的数目、基站与移动用户的几何位置,以及多径效应。混合定位方法则将具备定位能力的GPS和蜂窝通信系统结合起来,不论在农村或城市均能提供覆盖面积很广的定位能力。

将GPS集成到无线移动通信应用中时,所需成本、占位面积和功耗会严重束缚GPS接收机的设计,这一点与独立式GPS一样会降低载噪比。为了满足要求,必须采用高线性度、低噪声和低功耗的GPS接收机。而且,如果接收机的各个电路区域之间以及各电路和天线结构之间隔离不足,均会引发系统内干扰(或称内部噪声)和系统间干扰(也称外部噪声),从而造成GPS性能下降。本文描述了GPS接收机中,由系统间或系统内隔离不足造成的载噪比下降,以及下降机制,还描述了单独的GPS接收机特性和带无源天线的GPS接收机集成到无线应用中之后得到的性能结果。表1给出了由于系统间和系统内隔离不足所造成的耦合路径以及载噪比降低机制。图1b中,外加一个低噪声放大器降低了对系统内隔离度的要求,但同时也降低了GPS接收机的抗抖动性能。

图1给出了GPS接收机的组成框图。图中还指出了系统间隔离和系统内隔离,也就是图1中的隔离1到隔离3,每一个隔离均对系统内隔离度有影响。根据系统间隔离度提出的接收机的前端设计和区分规则,与根据系统内隔离度所提出的要求是相矛盾的。通过在接收机外加一个高增益低噪声放大器(如图1b所示)可以降低GPS接收机的系统内隔离度要求。而当系统间隔离度有限时,为满足线性度要求,通常需要采用增益低于15dB的低增益低噪声放大器 [1,2],但前提是不牺牲灵敏度特性和功耗特性。图1a给出了无线移动设备可采用的集成方案。系统集成度过于密集会影响天线之间的隔离度,因此要求系统内具有较高的隔离度,从而导致系统尺寸增大,成本增加,屏蔽、接地和去耦结构的设计复杂度也增大。单片GPS方案和密集封装的GPS方案均会受有限系统内隔离度的影响。图1a:GPS接收机应用于类似图1a的无线通信系统中时,其系统间和系统内隔离度。

我们已经开发出一套完整的GPS接收机方案,其核心功能包括低增益低噪声放大器、RF处理器和数字基带处理器。通过降低系统内干扰和电路的数字部分产生的辐射能量,我们能够将GPS天线和GPS芯片组紧密集成起来,而且无需牺牲接收机的线性度特性和灵敏度特性。

GPS模块设计

在集成GPS芯片组时必须保证能够在一个更小的空间内实现较低的系统内干扰。因此,必须对接地、屏蔽和去耦结构进行仔细设计才能使PCB所占面积最小,并同时满足由接收机输入热背景噪声所定义的对系统内隔离度的要求。系统内干扰落在接收机通带内的成分必须远低于接收机的热背景噪声。参考文献[3]中对GPS接收机的设计方??有详细描述。

图2a所示为一幅GPS接收机模块的照片,该模块的尺寸为25.4毫米 x 25.4毫米 x 3毫米。该模块必须采用图中所示的两个单独的屏蔽结构,以降低数字噪声和模拟噪声的耦合。而且天线被连接在模拟和数字平面的反面,以改善系统的隔离度(参看文献[3])。图2b中所示为直接将天线和GPS模块集成后的照片。只有仔细设计接地和屏蔽结构才能实现无源天线的直接集成,因为天线是直接安装在GPS模块的背面的。减小接地平面的面积会增加天线的背面辐射。图2a:GPS模块的照片。图2b:将陶瓷微带天线和GPS接收机集成后的照片。

GPS特性测量

测量载噪比(CNR)是一种较好的验证GPS射频处理器性能的方法。在CNR测量中,系统级测量法比模拟测量更易实现,它是基于频率测量和定时测量的一种测量方法,可直接反映被测系统的性能。本节所讨论的GPS特性测量结果均基于CNR测量。

GPS性能通常用灵敏度、动态范围和干扰测量来评定。通过灵敏度测量,可以确定系统的整体噪声特性(即接收机RF部分和基带部分的总噪声衰减量),接收机的背景噪声和能进行GPS跟踪所需的最小信号电平。动态范围指标定义了自动增益控制电路的工作范围和模数转换器的工作点。最后,干扰测量可以描述带内CW(连续)阻塞信号对CNR的影响。

1. 灵敏度测量

在灵敏度测量中,GPS应用信号的电平不断变化,而接收机输入端的背景噪声则保持不变。因而输入的CNR与GPS信号强度成正比关系。接收机的整体噪声特性可表示为:

NF=CNRin