在商用或?qū)Ｓ脽o線應(yīng)用中，全球定位衛(wèi)星的L1波段信號(hào)是最微弱的。在GPS接收機(jī)天線處收到的信號(hào)功率通常都淹沒在熱噪聲基底中。為成功地恢復(fù)出這些微弱信號(hào)，接收機(jī)必須具有足夠高的接收靈敏度，并能抑制帶外干擾。本文主要討論在設(shè)計(jì)一個(gè)外圍元件很少的低成本商用GPS接收機(jī)時(shí)，應(yīng)該考慮的主要系統(tǒng)參數(shù)。這種系統(tǒng)的目標(biāo)接收靈敏度為-139dBm。

    全球定位系統(tǒng)(GPS)是一種精密的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由美國國防部投資構(gòu)建。該系統(tǒng)由24顆繞地球旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星組成，它們均勻分布在6個(gè)軌道上，每個(gè)軌道有4顆衛(wèi)星。這些衛(wèi)星連續(xù)不斷地發(fā)送位置、時(shí)間信息，地面GPS接收機(jī)可接收5~12顆衛(wèi)星的信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)地面定位功能，GPS接收機(jī)至少需要4個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，其中3個(gè)信號(hào)用來計(jì)算GPS接收機(jī)的緯度、經(jīng)度、海拔高度，第四個(gè)則提供同步校正時(shí)間。

    如圖1所示，每個(gè)衛(wèi)星都在兩個(gè)載波上發(fā)送兩個(gè)直接序列擴(kuò)頻(DSSS)信號(hào)。之所以要使用擴(kuò)頻技術(shù)，是因?yàn)樗哂泻芎玫目拐瓗Ц蓴_能力。第一個(gè)載波頻率駐留在L1波段(中心頻率為1575.42MHz)，另一個(gè)載波頻率駐留在L2波段(中心頻率為1227.6MHz)。L1波段主要是民用，包含兩種代碼，一個(gè)為粗捕獲碼(C/A碼)，另一個(gè)為精測距碼(P碼)。L2波段僅用于軍事設(shè)備，它只有P碼。所有24顆衛(wèi)星的L1波段衛(wèi)星信號(hào)都能夠占用相同頻段而相互干擾，因?yàn)樵谏献冾l和發(fā)射之前，它們都經(jīng)由一種偽隨機(jī)噪聲(PRN)碼(一共有32種這樣的PRN碼)擴(kuò)頻到2.046MHz的帶寬上。

圖1：L1和L2波段中P碼和C/A碼GPS信號(hào)。

    通過PRN碼擴(kuò)頻后的GPS信號(hào)不但可以與其它信號(hào)區(qū)分開來，而且還具有抗干擾能力?？垢蓴_能力主要取決于系統(tǒng)的處理增益，處理增益越高，GPS信號(hào)就擴(kuò)展得越寬。如果將信號(hào)擴(kuò)展到很寬的頻帶上，那么只有小部分信號(hào)會(huì)被窄帶干擾破壞。信號(hào)經(jīng)過解擴(kuò)后，窄帶干擾被擴(kuò)展。對(duì)GPS 應(yīng)用來說，每個(gè)PRN 碼序列的長度為1023 位，擴(kuò)頻速率為1.023Mbps，這樣，處理增益被定義為：

處理增益=10log (碼片率/數(shù)據(jù)速率)=43dB (1)
在本例中，碼片率=1.023Mcps，數(shù)據(jù)速率=50bps。

    解擴(kuò)后GPS信號(hào)的質(zhì)量決定了GPS接收機(jī)的精度，它由比特誤碼率(BER)來量化。假設(shè)要求基帶處理器的BER為10-5， 則用于BPSK調(diào)制的相關(guān)器的Eb/N0不小于9.5dB。Eb/N0定義為每比特能量與噪聲譜密度的比值。從所要求的9.5dB的相關(guān)器Eb/N0中減去43dB的處理增益，可得到相關(guān)器輸入端的信噪比為 -33.5dB。

    假設(shè)軟件GPS的執(zhí)行損耗為 3.5dB，則量化器輸入端的信噪比(SNRQUANTIZER)為-30dB。在整個(gè)2.046MHz采樣帶寬內(nèi)，集成噪聲功率 (kTB，T=290K)近似為-111dBm。為獲得-139dBm的目標(biāo)靈敏度，所需的接收機(jī)級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)等于-28dB的天線端信噪比(SNRANTENNA=-139dBm/-111dBm)與-30dB的量化器輸入端信噪比之差。

    NF=SNRANTENNA/SNRQUANTIZER=-28dB-(-30dB)=2dB (2)

圖2：MAX2741與Philip推出的軟件GPS方案相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)成本低、外圍元件少、靈敏度高達(dá)-139dBm的商用GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)。

    隨著GPS應(yīng)用已成為手機(jī)和其它個(gè)人手持設(shè)備中集成解決方案的一部分， 它們對(duì)同一個(gè)單元內(nèi)不同應(yīng)用產(chǎn)生的干擾的承受能力成為關(guān)鍵。評(píng)估抗干擾能力的一個(gè)方法是測量接收機(jī)靈敏度降低-1dB時(shí)的功率。以一個(gè)具有GPS功能的CDMA雙頻手機(jī)為例：CDMA 手機(jī)功率放大器的典型發(fā)射功率為 +25dBm，假設(shè)采用三頻濾波器和GPS帶通濾波器拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)70dB的帶外信號(hào)隔離, 則GPS 接收機(jī)要求能承受-45dBm的帶外干擾信號(hào)強(qiáng)度。

    為降低成本和尺寸，大多數(shù)制造商在設(shè)計(jì)多功能設(shè)備時(shí)更愿意使用單個(gè)共同的參考頻率。但是，傳統(tǒng)的GPS接收器只工作在16.36MHz的參考頻率下，如果GPS接收機(jī)是一個(gè)獨(dú)立的單元，則不需要靈活的參考輸入。然而，由于如今的手持設(shè)備需要多種參考頻率，如10.0MHz、13MHz、14.4MHz、19.2MHz、20.0MHz和26.0MHz，所以當(dāng)?shù)统杀竞托〕叽缣匦宰兊梅浅Ｖ匾獣r(shí)，選擇一個(gè)具有靈活的參考輸入的GPS接收器將非常有用。

    Maxim公司的GPS接收器集成電路MAX2741可滿足所有這些要求。MAX2741集成了一個(gè)頻率合成器，通過允許參考頻率為2MHz～26MHz，它可靈活地配置頻率。由于采用外部LNA，MAX2741的級(jí)聯(lián)噪聲系數(shù)可小于 2dB。另外，對(duì)800MHz手機(jī)頻帶和1800MHz PCS頻帶的干擾，該芯片還能通過將靈敏度降低-1dB時(shí)的功率維持在-37dBm，來滿足-45dBm的帶外干擾抑制要求。

    通常情況下，接收到的PRN碼和GPS接收器中已知的PRN碼的相關(guān)性，是通過專用GPS基帶處理器集成電路來執(zhí)行的。但由于有了Philip公司突破性的軟件GPS技術(shù)“Spot”，GPS的相關(guān)性處理和計(jì)算已不再需要專用基帶處理器，而是由駐留在應(yīng)用處理器中的軟件來執(zhí)行。消除對(duì)專用基帶處理器的需求不但可大大降低系統(tǒng)成本，還能顯著縮小GPS解決方案的尺寸 。

    MAX2741與Philip推出的軟件GPS方案相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)成本低、外圍元件極少、靈敏度高達(dá)-139dBm的商用GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)。圖2給出了MAX2741的典型應(yīng)用電路。