GPS接收机中高频通道的仿真

　　目前，GPS系统已被广泛地应用到人们生活的各个领域。随着GPS定位理论研究的不断深入以及硬件的不断改进，GPS定位系统也日益完善。本文将从软件实验的角度分析GPS接收机高频通道的工作原理；在此基础上，设计一个增益分配方案，分析下变频电路的噪声特性，同时给出高频通道电路在System View平台上的系统仿真结果。

　　1 接收机的天线和传输损耗

　　GPS信号由于使用了码元速率fb1=1.023MHz的扩频码(C/A码)，调制后信号将占用2.046MHz带宽。L1波段(1575.42MHz)信号的功率谱密度示意图如图1所示。扩频后信号带宽在fL1=1575.42MHz中心频率的带宽为2.046MHz，接收机天线的带宽覆盖范围至少应满足fL1±fb1=1 575.42±1.023MHz。

　　接收机接收的最小功率必须大于-160dBW(-130dBm)，为保证这一点，C/A码调制的L1载波卫星发射功率必须达到21.9W (13.4dBW也即43.4dBm)。如果发射机的输出功率为43.4dBm，按最小接收机输入电平-130dBm计算，即感应在接收机天线上的信号电平最小为-130dBm，则后面仿真所列的实验数据都是在假设传输损耗为173.4dB时得到的。

　　2 接收机高频通道设计

　　2.1接收通道工作原理

　　GPS接收机将天线接收的L1波段粗码(C/A码)调制的扩频信号经滤波、预放后，传到后置放大器进行再放大，混频得到较低的中频信号。这样，经过下变频后，中心频率从fL1移到了中频fIF,但是频谱中各分量之间的相比关系并不改变。以三级下变频为例，接收通道的模块图如图2所示,其中天线、滤波和放大器1构成动态天线部分。

　　RF载波下变频后形成的中频信号中心频率：
fIF3=fL1-fLO1-fLO2-fLO3=1575.42-1400-140-31.111=4.309MHz。其中，fLO1、fLO2和fLO3为三级本振频率。混频的相关频率如表1所示。

　　2.2 接收通道增益设计

　　现在计算从输入端到二次混频后的总增益。当第三次混频输入正弦电压的有效值达20mV时达到硬限幅。按最小接收机输入电平约-160dBW(-130dBm)计算，在50Ω的输入阻抗上的电压为：

　　按从输入端到通道限幅器前总增益大于109dB计算，各级增益分配如下：

　　前置放大器增益：19dB；
　　2m电缆损耗：-2.5dB；
　　后置放大器增益：50dB；
　　二次混频增益：-10+(-7)=-17dB；
　　中频放大器增益：80dB；
　　合计总增益：129.5dB。考虑到接收机动态下信号强度下降8dB，这样输入到限幅器输入端总增益为121.5dB。如此设计的通道总增益满足整机灵敏度要求。

　　大部分混频变换增益(75dB)发生在第三次混频——将第二次35.42MHz的IF信号变换到IF输出频率4.3MHz处。因此SAW(声表面波)滤波器的输出是IF链路上对外部干扰最敏感的部分。第三次混频的增益控制范围为60dB。

　　2.3 通道噪声特性分析与计算

　　在GPS接收机中整个RF前端的噪声特性(NF)如式(1)所示：

　　其中：F 1：动态天线LNA的噪声特性(dB)；
　　F 2：射频—中频转换模块(除IF滤波器外的所有电路模块)的噪声特性(dB)；
　　G1：动态天线LNA的RF信号增益(dB)；
　　L1：LNA之后由于RF滤波和电缆引入的RF信号损耗。

　　这里，取动态天线LNA的增益+26dB，噪声特性1.5dB；取射频—中频转换模块(例如GP2015)的噪声特性为9dB；从动态天线到射频前端 (包括附加的RF陶瓷带通滤波器)的同轴电缆长度引入的损耗是可变的。假设电缆长2m，带通滤波器插损(考虑整体损耗L1)为2.5dB。因此由式(1) 可得：

　　则接收机高频通道的噪声特性是1.6dB。

　　对于一个既定的动态天线的LNA噪声特性， LNA增益越高，在射频—中频转换部分整体接收到的噪声特性的独立性越小。从噪声特性上来说，GPS接收机最好使用带有低噪声放大特性的动态天线，天线带有合适的高LNA增益(>19dB)和非常小的电缆损耗(<-2dB)。

　　3 高频通道电路的系统仿真实现

　　依据图2高频通道的原理图，以及前面分析的增益分配和噪声特性，构建了它的System View系统仿真电路。