GPS接收機的靈敏度分析

1、到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：GPS接收機的靈敏度分析1GPS接收機的靈敏度定義隨著應(yīng)用范圍的不斷擴展，業(yè)界對接收機的靈敏度要求也越來越高，高靈敏度的接收性能可以令接收機在室內(nèi)或其它衛(wèi)星信號較弱的場景下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)定位和跟蹤，大大拓展了的使用范圍。作為接收機最為重要的性能指標之一，高靈敏度一直是各個接收模塊孜孜以求的目標。對于接收系統(tǒng)而言，靈敏度指標包括多個場景下的指標，分別為：跟蹤靈敏度、捕獲靈敏度、初始啟動靈敏度。目前業(yè)界已經(jīng)可以實現(xiàn)跟蹤靈敏度在以下的接收機，同時，初始啟動的靈敏度和捕獲靈敏度也分別可以達到和以下。接收機首先需要完成對衛(wèi)星信

2、號的捕獲，完成捕獲所需要的最低信號強度為捕獲靈敏度；在捕獲之后能夠維持對衛(wèi)星信號跟蹤所需要的最低信號強度為跟蹤靈敏度。為了實現(xiàn)定位，接收機還需要解調(diào)衛(wèi)星發(fā)送的導航電文，相應(yīng)的，解調(diào)導航電文所需要的最低信號強度為初始啟動靈敏度。根據(jù)上述定義可知，跟蹤靈敏度最高，捕獲靈敏度次之，初始啟動靈敏度最差。2GPS接收模塊的靈敏度性能分析從系統(tǒng)級的觀點來看，接收機的靈敏度主要由兩個方面決定：一是接收機前端整個信號通路的增益及噪聲性能，二是基帶部分的算法性能。其中，接收機前端決定了接收信號到達基帶部分時的信噪比，而基帶算法則決定了解調(diào)、捕獲、跟蹤過程所能容忍的最小信噪比。2.1接收機前端電路性能對靈敏度的影

3、響信號是從距地面的（，低軌道衛(wèi)星）衛(wèi)星上發(fā)送I缶y占而“sow嘶按照系統(tǒng)設(shè)計指標，頻段的碼信號的發(fā)射(有效通量密度為(d若大氣層衰減為，則系統(tǒng)頻段碼信號到達地面的強度為：(頻段碼信號強度最小值為按口控制文檔)(頻段碼信號強度最小值為按口控制文檔)文件()中給出的系，和上述結(jié)果一致。在實際場景中，由于衛(wèi)星仰角的不同、以及受樹木、建筑物等的遮擋，頻段信號到達地面的強度可能會低于般接收機的結(jié)構(gòu)如下圖所示:111邊國1GPS111邊國1GPS收摘缺的一般結(jié)構(gòu)信號被天線接收下來后，如果天線有源，則經(jīng)過濾波器和低噪放，再通過電纜接到接.h.bL收機部分，接收機內(nèi)同樣經(jīng)過級低噪放和級濾波器，再進入射頻前端模

4、塊進行下變頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。上圖中，天線后直接接濾波器進行前置濾波，其作用在于防止寬帶干擾阻塞低噪放，但會增大前級的噪聲系數(shù)，因此在選用器件時需要考慮采用插損盡量小的濾波器。天線的有源部分到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：主要是用來補償從天線到接收模塊之間的電纜損耗，如果天線和接收模塊之間的插損極小，則可以使用無源天線。接收機前端的特性可以由整個接收機的值來表征。設(shè)接收機的射頻前端可以分級，第級的增益、噪聲系數(shù)、等效噪聲溫度分別為、F,則接收機的總的等效噪聲溫度為：由上式可知，整個接收機的噪聲溫度受前級影響最大，因此需要在前級采用較高增益較低噪聲系

5、數(shù)的低噪聲放大器。系統(tǒng)的值為：其中，為天線增益，為天線噪聲溫度。天線的噪聲溫度和天線大小、信號頻率、天線方向圖、擺放位置等都有關(guān)系，一般認為天線噪聲溫度為0根據(jù)系統(tǒng)的值即可以得到在一定輸入信號功率下的接收載噪比：其中，為常數(shù)。下表給出了采用有源天線的場景下常見的接收模塊前端載噪比計算:表有源天線場景下接收單元前端載噪比計算鶴路勢數(shù)戟噪比計覽天戰(zhàn)入口信昭功率-130dBm天線増盎3ilB1OOK壞境溫應(yīng)290K犬線端11載噪比：51.60dBHz天鏡前扱濾波器土i攝0.6dB天Sft有瀬部分增註26dB天繞育緣部分噪聲系數(shù)15有源天線出口就噪比，4696dBHz犬線/按收機比纜擁粒4dB接收機厳

6、噪比:46.94cLBHz披收WLNA胡沐16iB接收機LNA噪聲系數(shù)：1.6dB接收機后揣載噪比46.93dBHz從上表可以很明顯的看出，影響系統(tǒng)載噪比的最主要因素是天線本身的增益和噪聲溫度，在天線無源部分性能確定的條件下，天線有源部分則決定了整個系統(tǒng)的載噪比變化，而后級的鏈路增益和噪聲系數(shù)對系統(tǒng)載噪比基本沒有貢獻。實際電路設(shè)計中，由于電磁干擾的存在，每一級都有可能引入新的噪聲，后級的性能也會對系統(tǒng)載噪比產(chǎn)生重要影響。因此，需要重點考慮電磁干擾對系統(tǒng)性能帶來的損失。有源天線的主要目的是補償天線至接收機的電纜損耗，對于天線和接收機比較接近的場景，天線至接收機的損耗基本可以忽略，則可以直接采用無

7、源天線，通過提高接收機內(nèi)部第一級低噪聲放大器的增益和噪聲系數(shù)性能，同樣可以達到采用有源天線的性能。第一級的噪聲系數(shù)決定了前級引入噪聲的大小，而第一級的增益則決定了后級引入的噪聲對系統(tǒng)性能的影響，第一級的增益越大，后級噪聲性能對系統(tǒng)性能的影響越小，但同時需要考慮整個信號通路至量化部分的總體增益，以確保量化對信噪比的損失最小。下圖給出了接收機前級低噪聲放大器的噪聲系數(shù)對系統(tǒng)整體載噪比的影響，圖中還給出了不同增益天線的性能差異。實際中選用天線時，除天線增益外，還需要考慮天線的方向圖、不圓度以及軸比、駐波系數(shù)等性能。50505050假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬M則熱噪聲基底的功率為

8、：假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬M則熱噪聲基底的功率為：到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：49*25x25patchantenna+$x15ptchantenna4915x15patchantennak12x12patchantenna4847464443484746444340.40.60.S11.240.40.60.S11.21.41.61.8NoiseFigure(dB)圖2前級放大器噪聲系數(shù)對載噪比的影響接收機前端的轉(zhuǎn)換過程也會導致系統(tǒng)載噪比的降低，量化對信噪比的影響主要和量化位數(shù)有關(guān)，一般認為，量化會導致的載噪比損失，但

9、該值的前提是量化位數(shù)有關(guān)，一般認為，量化會導致的載噪比損失，但該值的前提是50505050假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬M則熱噪聲基底的功率為：假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬M則熱噪聲基底的功率為：到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：50505050假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬M則熱噪聲基底的功率為：假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬M則熱噪聲基底的功率為：到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：中頻帶寬為無限寬。轉(zhuǎn)換的載噪比損失還和中頻帶寬

10、有關(guān)，對于中頻帶寬等于帶寬而言，量化會導致的載噪比損失帶寬而言，量化會導致的載噪比損失,而量化帶來的載噪比損失為50505050假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬M則熱噪聲基底的功率為：假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬M則熱噪聲基底的功率為：到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：50505050假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬M則熱噪聲基底的功率為：假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬假設(shè)接收機帶寬為碼的帶寬M則熱噪聲基底的功率為：到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：）之間的

11、比例(4)）之間的比例(4)）。此外，轉(zhuǎn)換對性能的影響還和量化最大閾值和噪聲的均方根（有關(guān)。接收機的熱噪聲基底為：jV.=13Sxl0 x290=-174dBnrHzConelaiionlimeConelaiionlime(s)到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：到地面上來的，其頻段（）自由空間衰減為：N=N天Bn-174dBm+63dBm=-11LdBm(5)該功率遠大于輸入信號功率,因此系統(tǒng)的增益控制以及量化閾值主要由熱噪聲確定，與輸入信號強度基本無關(guān)。常用的射頻芯片中，量化和自動增益控制部分的電路都是聯(lián)合設(shè)計的，根據(jù)量化閾值的要求設(shè)置自動增益控制的控制電平。2.2基帶算法性能對靈敏度

12、的影響基帶算法性能直接影響信號捕獲、跟蹤以及解調(diào)過程對載噪比的最低要求。信號是一個擴頻系統(tǒng)對于碼而言其擴頻碼為碼長的碼，碼速率為即每為一個碼周期。因此，可以通過提高本地碼和接收信號之間的積分時間來提高接收信號的載噪比。積分方式分為相干累積和非相干累積。相干累積是指直接用本地碼和接收信號按位相乘后再累加，而非相干累積則是對相干累積的結(jié)果再進行直接相加。相干累積結(jié)果可根據(jù)下式進行計算(5)：7-沁(刪。CNcTR(r)D+怙其中，為本地本振與載波之間的頻率差，為相干累積時間，為到達基帶時的信號載噪比，單位為，R為碼的自相關(guān)函數(shù)，為初始相位差，為信號調(diào)制的導航電文符號，In和n分別為路和路的噪聲。由

13、公式(6)可(知7，)相干累積結(jié)果和相干累積時長非常相關(guān)，相干累積時間越長，對輸入載噪比的要求越低，其靈敏度也就越高，但累積時長過長，由于頻偏的影響，上式中第一項值也會越小，又會降低其靈敏度。因此，一般高靈敏度的接收機都需要采用頻率穩(wěn)定度較高的作為本振，以降低本地頻率和載波頻率之間的偏差。一般而言，高靈敏度的基帶算法對本振的穩(wěn)定度要求在左右，該穩(wěn)定度包括校正偏差、老化以及溫度補償穩(wěn)定度，對于頻率校正穩(wěn)定度為、老化穩(wěn)定度為的而言,一般要求其溫度補償穩(wěn)定度在以內(nèi)。非相干累積結(jié)果為工,通過公式還可以看出，當采用非相干累積時，由于n和n的存在，其信噪比會比相干累積有所降低。下圖給出了不同頻率偏移情況下

14、相干累積結(jié)果隨相干時長變化的情況。由圖中可以看出，當頻偏較小的情況下，可以選擇較長的相干時長以達到較高的相干累積結(jié)果。-4-irequencyolT3et=50HzfrequencyOiT5et=30MzI/requetKYolf肚1=12QHz0.0020.004O.OOC0.0080.010.D12IQ-4-irequencyolT3et=50HzfrequencyOiT5et=30MzI/requetKYolf肚1=12QHz0.0020.004O.OOC0.0080.010.D12IQOO-2Ollnsyct:UOUB-gQD圖3相干時長與相干累積結(jié)果的關(guān)系23高接收靈敏度的GPS接收機設(shè)計根據(jù)本文前述內(nèi)容的分析可知，要設(shè)計高接收靈敏度的接收機，需要從以下幾個方面著手：1要有好的抗干擾和隔離設(shè)計，由于信號屬于弱信號，信號強度在左右，因此射頻通道內(nèi)任何一級引入的干擾都有可能極大地影響系統(tǒng)的接收信噪比，因此，需要從電路設(shè)計上做到抗干擾和隔離，尤其是地線的設(shè)計，差的地線設(shè)計可以使系統(tǒng)信噪比降低以上；2需要最小化接收機噪聲，即盡可能提高系統(tǒng)的值，這可以從盡量降低前級噪聲系數(shù)、提高前級增益等方面進行，但同時還需要考慮系統(tǒng)的動態(tài)范圍，全通道增益不能過大；3、要有好的基帶算法，包括對信噪比要求極低的捕獲、跟蹤算