设计低成本、低元件数的GPS接收机

来自L1波段全球定位卫星的信号在商业和私人无线应用中是最弱的。GPS接收器天线的接收功率远低于集成的热本底噪声。为了成功恢复这种微弱的信号，接收器必须具有足够高的灵敏度，同时抑制带外干扰。本文旨在介绍在设计低成本、低元件数、无辅助商用GPS接收机时应考虑的关键系统参数。该系统的目标是-139dBm的接收灵敏度。

全球定位系统（GPS）是由美国国防部设计和资助的精心设计的卫星导航系统。该系统由24颗卫星组成，这些卫星不断广播它们在地球周围的位置和时间。这些卫星在六个轨道之一中运行，通常每个轨道上有四颗卫星。地球上的GPS接收器可以接收五到十二个卫星信号。要获得地球上的位置定位，至少需要四个卫星信号 - 三个用于计算GPS接收器的纬度，经度和高度，而第四个提供正确的同步时间[1]。

如图1所示，每颗卫星在两个载波频率上传输两个独特的直接序列扩频（DSSS）信号。使用扩频技术是因为它提供了对窄带干扰的高度保护。第一个载波频率位于L1频段（中心频率为1575.42MHz），而另一个载波频率位于L2频段（中心频率为1227.6MHz）。用于民用的L1频段包含两个信号。一个称为粗略采集 （C/A） 代码，另一个称为精度代码 （P） 代码。仅用于军事用途的 L2 频段仅携带 P 代码。所有24个L1卫星信号都能够占据相同的频率而不会相互干扰，因为它们在上变频和传输后，每个信号都由32个唯一的伪随机噪声（PRN）码中的1个在2.046MHz的带宽上传播（或编码）。

图1.P代码和C / A代码GPS信号在L1和L2频段。

通过PRN码传播GPS信号不仅可以将每个信号与其他信号区分开来，还可以防止干扰。抗干扰性高度依赖于系统的处理增益。处理增益越高，GPS 信号传播范围越广。通过在宽带宽上扩展信号，只有一小部分所需信号会被窄带干扰破坏。在去扩过程之后，窄带干扰被扩散。对于 GPS 应用，每个 PRN 代码序列的长度为 1023 位，以 1.023Mbps 的速率传播信号 [2]。处理增益定义为：

处理增益 = 10 log （芯片速率/数据速率） = 43dB

其中芯片速率 = 1.023Mcps，数据速率 = 50bps（对于我们的应用）

去扩散GPS信号的质量决定了GPS接收器的精度，并通过由此产生的误码率（BER）进行量化。假设基带处理器需要 BER 为 10-5，对应的后相关因子Eb/N0使用的BPSK调制不小于9.5dB（AWGN主导）[3]。Eb/N0定义为每比特的能量与频谱噪声密度的比值。从所需的9.5dB后相关器E中减去43dB的处理增益b/N0，相关器输入端的信噪比（SNR）为-33.5dB。假设软件GPS的实现损耗为3.5dB，量化器所需的SNR（SNR量化） 输入为 -30dB。在2.046MHz的采样带宽内，积分噪声功率（kTB，T = +290°K）约为-111dBm。为了实现-139dBm的目标灵敏度，所需的级联接收噪声系数（NF）是天线-28dB SNR（SNR）之差天线 = -139分贝/-111分贝）和 -30dB 信噪比量化.

NF = 信噪比天线-信 噪 比量化= -28分贝 - （-30分贝） = 2分贝

随着GPS应用成为蜂窝电话和其他个人手持设备内部整体解决方案的一部分，它们对同一单元内相邻应用造成的干扰的容忍度成为一个关键问题。表征该容差的一种方法是测量接收器的-1dB脱敏点。以与GPS同时运行的双频CDMA蜂窝电话为例。功率放大器的典型CDMA发射功率为+25dBm。假设三工器和GPS带通滤波器拓扑结构完全隔离70dB的带外（OOB）信号，GPS接收器需要能够承受-45dBm的OOB干扰器电平。

为了降低成本和尺寸，大多数制造商在设计多功能器件时更愿意使用单个通用参考频率。然而，传统的GPS接收器只能使用16.36MHz的参考频率工作;如果GPS接收器是独立单元，则不需要灵活的参考输入。然而，当今的手持设备需要各种参考频率，例如 10.0MHz、13MHz、14.4MHz、19.2MHz、20.0MHz 和 26.0MHz。因此，当低成本和更小尺寸很重要时，具有灵活参考输入的GPS接收器对于这些设备非常有用。

MAX2741是满足所有三个要求的GPS接收器集成电路。该器件具有集成频率合成器，通过接受 2MHz 至 26MHz 的参考频率，提供频率规划的灵活性。采用外部LNA，MAX2741可实现小于2dB的级联噪声系数。它还满足 -45dBm 的 OOB 干扰要求，为 800MHz手机频段和 1800MHz PCS 频段干扰器保持 -1dB 的脱敏水平 -37dBm。

传统上，接收到的PRN码与GPS接收器中已知PRN码集的关联由专用GPS基带处理器IC执行。得益于突破性的软件GPS技术，相关和计算任务可以被驻留在应用处理器中的软件所取代。消除专用基带处理器不仅大大降低了GPS解决方案的成本，而且大大减小了尺寸。

MAX2741与软件GPS相结合，设计出低成本、低元件数、无人辅助的商用GPS接收器，灵敏度可达-139dBm。