摘 要: 分析了GPS接收機(jī)高頻通道的工作原理" title="工作原理">工作原理,,給出一種GPS接收機(jī)高頻通道的增益設(shè)計(jì)方案及其噪聲特性" title="噪聲特性">噪聲特性;在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了System View系統(tǒng)仿真電路,并給出相應(yīng)的仿真結(jié)果,。此研究對(duì)開展相關(guān)領(lǐng)域的研究工作具有借鑒意義,。
關(guān)鍵詞: GPS 高頻通道 增益 噪聲特性 System View仿真
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目前,GPS系統(tǒng)已被廣泛地應(yīng)用到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域,。隨著GPS定位理論研究的不斷深入以及硬件的不斷改進(jìn),,GPS定位系統(tǒng)也日益完善,。本文將從軟件實(shí)驗(yàn)的角度分析GPS接收機(jī)高頻通道的工作原理,;在此基礎(chǔ)上,,設(shè)計(jì)一個(gè)增益分配方案,分析下變頻" title="下變頻">下變頻電路的噪聲特性,,同時(shí)給出高頻通道電路在System View平臺(tái)上的系統(tǒng)仿真結(jié)果,。
1 接收機(jī)的天線和傳輸損耗
GPS信號(hào)由于使用了碼元速率fb1=1.023MHz的擴(kuò)頻" title="擴(kuò)頻">擴(kuò)頻碼(C/A碼),調(diào)制后信號(hào)將占用2.046MHz帶寬,。L1波段(1575.42MHz)信號(hào)的功率譜密度示意圖如圖1所示,。擴(kuò)頻后信號(hào)帶寬在fL1=1575.42MHz中心頻率的帶寬為2.046MHz,接收機(jī)天線的帶寬覆蓋范圍至少應(yīng)滿足fL1±fb1=
1 575.42±1.023MHz,。
接收機(jī)接收的最小功率必須大于-160dBW(-130dBm),,為保證這一點(diǎn),C/A碼調(diào)制的L1載波衛(wèi)星發(fā)射功率必須達(dá)到21.9W(13.4dBW也即43.4dBm),。如果發(fā)射機(jī)的輸出功率為43.4dBm,,按最小接收機(jī)輸入電平-130dBm計(jì)算,即感應(yīng)在接收機(jī)天線上的信號(hào)電平最小為-130dBm,,則后面仿真所列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是在假設(shè)傳輸損耗為173.4dB時(shí)得到的。
2 接收機(jī)高頻通道設(shè)計(jì)
2.1接收通道工作原理
GPS接收機(jī)將天線接收的L1波段粗碼(C/A碼)調(diào)制的擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)濾波,、預(yù)放后,,傳到后置放大器進(jìn)行再放大,混頻得到較低的中頻信號(hào),。這樣,,經(jīng)過下變頻后,中心頻率從fL1移到了中頻fIF,但是頻譜中各分量之間的相比關(guān)系并不改變,。以三級(jí)下變頻為例,,接收通道的模塊圖如圖2所示,其中天線、濾波和放大器1構(gòu)成動(dòng)態(tài)天線部分,。
RF載波下變頻后形成的中頻信號(hào)中心頻率:
fIF3=fL1-fLO1-fLO2-fLO3=1575.42-1400-140-31.111=4.309MHz,。其中,,fLO1、fLO2和fLO3為三級(jí)本振頻率,?;祛l的相關(guān)頻率如表1所示。
2.2 接收通道增益設(shè)計(jì)
現(xiàn)在計(jì)算從輸入端到二次混頻后的總增益,。當(dāng)?shù)谌位祛l輸入正弦電壓的有效值達(dá)20mV時(shí)達(dá)到硬限幅,。按最小接收機(jī)輸入電平約-160dBW(-130dBm)計(jì)算,在50Ω的輸入阻抗上的電壓為:
按從輸入端到通道限幅器前總增益大于109dB計(jì)算,,各級(jí)增益分配如下:
前置放大器增益:19dB,;
2m電纜損耗:-2.5dB;
后置放大器增益:50dB,;
二次混頻增益:-10+(-7)=-17dB,;
中頻放大器增益:80dB;
合計(jì)總增益:129.5dB,??紤]到接收機(jī)動(dòng)態(tài)下信號(hào)強(qiáng)度下降8dB,這樣輸入到限幅器輸入端總增益為121.5dB,。如此設(shè)計(jì)的通道總增益滿足整機(jī)靈敏度要求,。
大部分混頻變換增益(75dB)發(fā)生在第三次混頻——將第二次35.42MHz的IF信號(hào)變換到IF輸出頻率" title="輸出頻率">輸出頻率4.3MHz處。因此SAW(聲表面波)濾波器的輸出是IF鏈路上對(duì)外部干擾最敏感的部分,。第三次混頻的增益控制范圍為60dB,。
2.3 通道噪聲特性分析與計(jì)算
在GPS接收機(jī)中整個(gè)RF前端的噪聲特性(NF)如式(1)所示:
其中:F 1:動(dòng)態(tài)天線LNA的噪聲特性(dB);
F 2:射頻—中頻轉(zhuǎn)換模塊(除IF濾波器外的所有電路模塊)的噪聲特性(dB),;
G1:動(dòng)態(tài)天線LNA的RF信號(hào)增益(dB),;
L1:LNA之后由于RF濾波和電纜引入的RF信號(hào)損耗。
這里,,取動(dòng)態(tài)天線LNA的增益+26dB,,噪聲特性1.5dB;取射頻—中頻轉(zhuǎn)換模塊(例如GP2015)的噪聲特性為9dB,;從動(dòng)態(tài)天線到射頻前端(包括附加的RF陶瓷帶通濾波器)的同軸電纜長(zhǎng)度引入的損耗是可變的,。假設(shè)電纜長(zhǎng)2m,帶通濾波器插損(考慮整體損耗L1)為2.5dB,。因此由式(1)可得:
則接收機(jī)高頻通道的噪聲特性是1.6dB,。
對(duì)于一個(gè)既定的動(dòng)態(tài)天線的LNA噪聲特性, LNA增益越高,,在射頻—中頻轉(zhuǎn)換部分整體接收到的噪聲特性的獨(dú)立性越小,。從噪聲特性上來(lái)說(shuō),GPS接收機(jī)最好使用帶有低噪聲放大特性的動(dòng)態(tài)天線,天線帶有合適的高LNA增益(>19dB)和非常小的電纜損耗(<-2dB),。
3 高頻通道電路的系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)
依據(jù)圖2高頻通道的原理圖,,以及前面分析的增益分配和噪聲特性,構(gòu)建了它的System View系統(tǒng)仿真電路,。
3.1 信號(hào)源
這里信號(hào)源采用了簡(jiǎn)單的方式,,只模擬了一種C/A碼,然后與數(shù)據(jù)信號(hào)D碼進(jìn)行模2相加,,再調(diào)制到L1載波上,,經(jīng)傳輸損耗后到達(dá)接收天線,接收天線收到的信號(hào)是引入噪聲的擴(kuò)頻信號(hào),。噪聲和干擾的仿真通過對(duì)仿真系統(tǒng)中加入假定噪聲或干擾信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn),。這里,噪聲采用了溫度噪聲:阻抗=50Ω,,噪聲溫度=300K,。C/A碼以及經(jīng)C/A碼調(diào)制的D碼圖形如圖3所示。其中,,經(jīng)C/A碼調(diào)制的D碼延時(shí)了5μs,。
經(jīng)L1載波調(diào)制的擴(kuò)頻信號(hào)和接收機(jī)射頻前端接收到的RF信號(hào)如圖4所示。由圖可見,,RF前端接收到的GPS信號(hào)淹沒在噪聲中,。
3.2 接收到的中頻信號(hào)
第一級(jí)混頻產(chǎn)生的中頻輸出信號(hào)頻譜圖如圖5所示。其中,,RF濾波器通帶中心頻率設(shè)置在1575.42MHz,,2MHz通帶(-3dB);第1個(gè)IF濾波器的中心頻率在175.42MHz,,為兩極點(diǎn)的chebyshev響應(yīng),,0.1dB波紋?;祛l器為有源雙平衡混頻器,。
由圖5可以看出第一級(jí)中頻輸出頻率在175.42MHz附近。
第二級(jí)混頻產(chǎn)生的中頻輸出信號(hào)頻譜圖如圖6(a)所示,。其中,,第2個(gè)IF濾波器為SAW帶通濾波器。中心頻率35.42MHz,,通帶2MHz(±1dB),插損14~18dB,,止帶>10dB(±2M),,群延遲波紋<300ns(34.62~36.22MHz),最大群延遲<1.7ns。SAW 通帶波紋0.8dB,;SAW濾波器的頻率響應(yīng)特性用通常的有限沖擊響應(yīng)濾波器(FIR)來(lái)仿真,。
將圖6局部放大后的頻譜圖如圖6(b)所示,可見第二級(jí)中頻輸出頻率在35.42MHz附近。
第三級(jí)混頻前利用限幅器將第三級(jí)混頻輸入電壓限制在20mV以內(nèi),。第三級(jí)混頻產(chǎn)生的中頻輸出信號(hào)頻譜圖如圖7所示,。由圖可見,第三級(jí)中頻輸出頻率在4.309MHz附近,。第3個(gè)IF濾波器的中心頻率為4.3MHz,。
本文從軟件實(shí)驗(yàn)的角度分析了GPS接收機(jī)高頻通道的工作原理;設(shè)計(jì)了一個(gè)高頻通道的增益分配方案,,同時(shí)分析了它的噪聲特性,;在此基礎(chǔ)上,對(duì)高頻通道電路進(jìn)行了系統(tǒng)仿真,。實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)所需要的干擾容限,、增益等要求酌情調(diào)整。本研究對(duì)開展相關(guān)領(lǐng)域的研究工作具有借鑒意義,。對(duì)接收鏈路中的信道特性,,筆者將予以進(jìn)一步關(guān)注。
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