復(fù)雜射頻干擾環(huán)境下的高靈敏度GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1引言

　　GPS功能已成為智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。隨著便攜式設(shè)備市場的爆發(fā)性成長，手機(jī)環(huán)境下的射頻干擾，已經(jīng)成為GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)者最為頭疼的問題之一。在如此嘈雜的射頻干擾環(huán)境下設(shè)計(jì)高靈敏度的GPS系統(tǒng)，已經(jīng)是手機(jī)設(shè)計(jì)中最大的挑戰(zhàn)。

　　本文將對采用前置低噪聲放大器的GPS系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過增加前置低噪聲放大器的方法，GPS系統(tǒng)的靈敏度和首次定位時間將得到明顯提高，且抗干擾能力更強(qiáng)。

　　2 GPS系統(tǒng)簡介

　　目前GPS功能已成為智能手機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)配置。導(dǎo)航服務(wù)是GPS的一大應(yīng)用，在手機(jī)中集成GPS，可以非常輕松地實(shí)現(xiàn)車輛的自主導(dǎo)航，用戶將不再因?yàn)槊月返⒄`自己的行程，便捷而實(shí)用。越來越多帶GPS功能的手機(jī)反過來將會推動位置服務(wù)（LBS）的發(fā)展。LBS應(yīng)用通過手機(jī)的位置信息可以滋生出很多增值服務(wù)，比如幫助用戶找到附近的飯店、銀行、交通服務(wù)設(shè)施等，這種服務(wù)將是未來信息領(lǐng)域一個主要的新興市場。在可預(yù)見的未來，GPS功能將會隨著手機(jī)功能的拓展而衍生出越來越多的應(yīng)用。

　　但是與此同時，手機(jī)中集成的GPS系統(tǒng)也面臨著日益嚴(yán)重的問題。隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和手機(jī)功能的不斷增多，各種射頻標(biāo)準(zhǔn)的相互干擾問題凸顯。目前手機(jī)中集成的射頻標(biāo)準(zhǔn)主要有第二代數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)GSM，第三代TD-SCDMA/WCDMA，藍(lán)牙 Bluetooth，調(diào)頻收音FM-radio，無線局域網(wǎng)WLAN等等。在設(shè)計(jì)手機(jī)系統(tǒng)時，必須考慮電磁干擾（EMI）和電磁兼容EMC）的問題，以避免相應(yīng)的功能受到環(huán)境干擾而性能受損，甚至無法工作的惡劣影響。盡管各個國家和地區(qū)已經(jīng)建立了相應(yīng)的電磁規(guī)范以規(guī)避上述問題，但手機(jī)設(shè)計(jì)和制造廠商依然面臨著日益復(fù)雜和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　相對于其它無線通信系統(tǒng)而言，GPS系統(tǒng)的輸入信號功率非常微弱。按照GPS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，GPS信號是從距離地面約兩萬公里的低軌衛(wèi)星上發(fā)送到地面上的固定或移動裝置，以地面接收裝置距離衛(wèi)星的地平面仰角50度為例，GPS的L1頻段中心頻率為1575.42MHz，則自由空間衰減F可由下式計(jì)算：

　　（1）

　　則接收到的GPS信號L1頻段功率Pr可近似由下式計(jì)算得到：

　　Pr=Ps-F-Loss （2）

　　衛(wèi)星的有效發(fā)射功率Ps為26.8dBW，自由空間衰減F約為183dBc，額外的大氣損耗Loss約為3.7dBc，這樣得到的GPS系統(tǒng)L1頻段 CA碼信號的地面強(qiáng)度約為-160dBW，即-130dBm。在實(shí)際使用過程中，由于衛(wèi)星發(fā)射和地面接收機(jī)的仰角不同，以及受樹木，建筑，橋梁等的遮擋，一般GPS信號到達(dá)地面的強(qiáng)度甚至可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于-130dBm。

　　而其它的通信系統(tǒng)中，GSM900發(fā)射功率為 33dBm，GSM1800和GSM1900均為30dBm，WLAN為14～20dBm，Bluetooth為0到10dBm，其最大強(qiáng)度大約是GPS 信號的10的15次方倍，即1000萬億倍！即使在GPS接收機(jī)前端增加傳統(tǒng)的SAW帶通濾波器，由于干擾信號的頻段距離GPS的頻段較近，一般只能提供額外的30～40dB隔離度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以將干擾信號衰減到忽略不計(jì)的程度。如此惡劣的射頻環(huán)境給GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　對系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言，GPS系統(tǒng)有幾個比較關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo)，如靈敏度Sensitivity和首次定位時間（簡稱TTFF）等等。手機(jī)中的GPS系統(tǒng)常常受到外部射頻干擾的影響，此時的干擾可以看作噪聲的一部分，在降低信噪比參數(shù)的同時，靈敏度指標(biāo)也隨著惡化，首次定位時間TTFF延長，直至完全無法搜索到 GPS信號。

　　讓我們來看一下射頻干擾是如何影響GPS系統(tǒng)性能的。一般而言，GPS系統(tǒng)的靈敏度可由下式?jīng)Q定：

　　靈敏度Sensitivity［in dBm］

　　（3）

　　式（3）中，第一項(xiàng)Eb/N0由GPS系統(tǒng)的基帶BPSK解調(diào)性能決定的，第二項(xiàng)中，Rb是GPS基帶信號碼率，C/A碼中Rb等于50赫茲，即 20毫秒的相干累積時長所得到的處理增益；第三項(xiàng)Gp是系統(tǒng)非相干積累增益；第四項(xiàng)N0為系統(tǒng)天線端口的熱噪聲功率譜密度，在室溫下等于 -174dBm/Hz，第五項(xiàng)為GPS系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。前三項(xiàng)代表了GPS基帶部分所帶來的性能限制，而后兩項(xiàng)則代表了射頻部分所帶來的性能限制。在 GPS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，靈敏度的提高也是通過提高兩個方面來得以實(shí)現(xiàn)，一部分是基帶的Eb/N0解調(diào)性能，另外一部分則是射頻部分的噪聲系數(shù)NF性能。

　　除了靈敏度是消費(fèi)者最關(guān)心的GPS系統(tǒng)指標(biāo)之外，首次定位時間（TTFF）也直接影響消費(fèi)者的切身體驗(yàn)。GPS設(shè)備的TTFF與其啟動條件有關(guān)，可以分為三種情況：一是接收器本身完全無有效衛(wèi)星數(shù)據(jù)的冷啟動（Cold Start）；一是接收器具有有效的星歷數(shù)據(jù)、時間和起始位置，稱為暖啟動（Warm Start）；如果再具有更準(zhǔn)確的廣播星歷數(shù)據(jù)，則稱為熱啟動（Hot Start）。

　　對于一個不具任何有效定位數(shù)據(jù)的GPS終端來說，最重要的是要收齊四顆衛(wèi)星個別的廣播星歷及衛(wèi)星時間數(shù)據(jù)，才能正確地計(jì)算定位。由于衛(wèi)星是以50bit/s的速率來發(fā)射信號，因此同步收齊四顆衛(wèi)星一個完整幀數(shù)據(jù)的時間，至少需要30秒（即1500bps），其中需花18秒下載廣播星歷。因此，冷啟動與熱啟動的定位時間相差甚大，前者所需時間至少需要 18~36秒，接收過程中如果出現(xiàn)了任何干擾而導(dǎo)致信號中斷，那就得重新再接收一次。相比較之下，如果在GPS設(shè)備的內(nèi)存中已有完整且有效的廣播星歷資料，只要確認(rèn)目前在頭頂上的四顆衛(wèi)星，即可立即進(jìn)行定位計(jì)算，定位動作甚至在1秒之內(nèi)就可完成。

　　冷啟動的首次定位時間由如下幾項(xiàng)組成，接收機(jī)啟動時間Twarm，捕獲時間Tacq，跟蹤時間Ttrack，導(dǎo)航電文讀取時間Tced+gst，導(dǎo)航方案計(jì)算時間TPVT。而熱啟動僅僅包括捕獲時間Tacq，跟蹤時間Ttrack。一般而言，Twarm，Tced+gst，TPVT是相對固定的，而Ttrack和Tacq則決定了系統(tǒng)的首次定位時間長短。本文僅考慮射頻干擾對Tacq和Ttrack的影響而忽略其它時間項(xiàng)從而簡化了分析模型。在捕獲和跟蹤期間，系統(tǒng)通常有兩種處理方法來提高解調(diào)增益：相干累積和非相干累積。

　　相干累積可以較大提高處理增益，但相干時長不能無限加長，因?yàn)?0毫秒周期的導(dǎo)航電文會帶來位翻轉(zhuǎn)，從而影響相干結(jié)果。而非相干累積可以采用較大的累積時長來獲得更大的增益。但是相對于相干累積而言，非相干累積存在平方損失， 考慮到該損失之后的非相干累積的總增益可由下式計(jì)算：

　　（4）

　　式（4）中第二項(xiàng)為非相干累積所帶來的平方損失項(xiàng)，n為非相干累積的次數(shù)，直接決定非相干累積的持續(xù)時間，在給定檢測概率Pd=0.9和虛警概率Pfa=1e-7時Dc（1）約等于21。