GPS接收機(jī)的靈敏度分析

2016-11-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:GPS 接收機(jī)的靈敏度是影響GPS 應(yīng)用范圍的非常關(guān)鍵的指標(biāo),目前業(yè)界紛紛推出高靈敏度的GPS 接收系統(tǒng),使得GPS 的室內(nèi)定位成為可能,大大拓展了GPS 的應(yīng)用場景。本文對(duì)GPS接收機(jī)的靈敏度性能進(jìn)行原理性分析,并給出了設(shè)計(jì)高靈敏度GPS 接收模塊的建議。

1 GPS 接收機(jī)的靈敏度定義

隨著GPS 應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展,對(duì)GPS 接收機(jī)的靈敏度要求也越來越高,高靈敏度的接收性能可以令接收機(jī)在室內(nèi)或其它衛(wèi)星信號(hào)較弱的場景下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)定位和跟蹤,大大拓展了GPS 的使用范圍。

作為GPS 接收機(jī)最為重要的性能指標(biāo)之一,高靈敏度一直是各個(gè)GPS 接收模塊孜孜以求的目標(biāo)。對(duì)于GPS 接收系統(tǒng)而言,靈敏度指標(biāo)包括多個(gè)場景下的指標(biāo),分別為:跟蹤靈敏度、冷啟動(dòng)靈敏度、溫啟動(dòng)靈敏度。目前業(yè)界已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)跟蹤靈敏度在-160dBm 以下,冷啟動(dòng)靈敏度和溫啟動(dòng)靈敏度也分別可以達(dá)到-145dBm 和-158dBm 以下,其中冷啟動(dòng)靈敏度和溫啟動(dòng)靈敏度分別表示的是在兩種不同場景下的捕獲靈敏度。

GPS 接收機(jī)首先需要完成對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕捉,完成捕捉所需要的最低信號(hào)強(qiáng)度為捕捉靈敏度;在捕捉之后能夠維持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)跟蹤所需要的最低信號(hào)強(qiáng)度為跟蹤靈敏度。

2 GPS 接收模塊的靈敏度性能分析

從系統(tǒng)級(jí)的觀點(diǎn)來看,GPS 接收機(jī)的靈敏度主要由兩個(gè)方面決定:一是接收機(jī)前端整個(gè)信號(hào)通路的增益及噪聲性能,二是基帶部分的算法性能。其中,接收機(jī)前端決定了接收信號(hào)到達(dá)基帶部分時(shí)的信噪比,而基帶算法則決定了解調(diào)、捕捉、跟蹤過程所能容忍的最小信噪比。

2.1 接收機(jī)前端電路性能對(duì)靈敏度的影響

GPS 信號(hào)是從距地面 20000km 的LEO(Low Earth Orbit,低軌道衛(wèi)星)衛(wèi)星上發(fā)送到地面上來的,其L1 頻段(fL1=1575.42MHz)自由空間衰減為:

(1)

按照GPS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo),L1 頻段的C/A 碼信號(hào)的發(fā)射EIRP(Effective Isotropic Radiated Power,有效通量密度)為P=478.63W(26.8dBw)([1][2]),若大氣層衰減為A=2.0dB,則GPS 系統(tǒng)L1 頻段C/A 碼信號(hào)到達(dá)地面的強(qiáng)度為:

(2)

GPS ICD(Interface Control Document,接口控制文檔)文件([3])中給出的GPS 系統(tǒng)L1 頻段C/A 碼信號(hào)強(qiáng)度最小值為-160dBw,和上述結(jié)果一致。在實(shí)際場景中,由于衛(wèi)星仰角的不同、以及受樹木、建筑物等的遮擋,L1 頻段C/A 信號(hào)到達(dá)地面的強(qiáng)度可能會(huì)低于-160。

GPS 信號(hào)被天線接收下來后,假如天線有源,則經(jīng)過濾波器和低噪放,再通過電纜接到接收機(jī)部分,接收機(jī)內(nèi)同樣經(jīng)過一級(jí)低噪放和一級(jí)濾波器,再進(jìn)射頻前端模塊進(jìn)行下變頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。天線的有源部分主要是用來補(bǔ)償從天線到接收模塊之間的電纜損耗,假如天線和接收模塊之間的插極小,則可以使用無源天線。

GPS 接收機(jī)前整個(gè)特性可以由整個(gè)接收機(jī)的G/T 值來表征。設(shè)GPS 接收機(jī)的射頻前端可以分為n級(jí),第i 級(jí)的增益、噪聲系數(shù)、等效噪聲溫度分別為Gi、NFi、Tei,則GPS 接收機(jī)的總的等效噪聲溫度為:

(3)

其中,Ga 為天線增益,Ta 為天線噪聲溫度。天線的噪聲溫度和天線大小、信號(hào)頻率、天線方向圖、擺放位置等都有關(guān)系,一般GPS 天線噪聲溫度為Ta=100K。

根據(jù)系統(tǒng)的G/T 值即可以得到在一定輸進(jìn)信號(hào)功率下的接收載噪比:

其中,k=1.38e-23,為Bolzmann 常數(shù)。

下表給出了采用有源天線的場景下常見的GPS 接收模塊前端載噪比計(jì)算:

表 1 有源天線場景下GPS 接收單元前端載噪比計(jì)算

從上表可以很明顯的看出,影響系統(tǒng)載噪比的最主要因素是天線本身的增益和噪聲溫度,在天線無源部分性能確定的條件下,天線有源部分則決定了整個(gè)系統(tǒng)的載噪比變化,而后級(jí)的鏈路增益和噪聲系數(shù)對(duì)系統(tǒng)載噪比基本沒有貢獻(xiàn)。

實(shí)際電路設(shè)計(jì)中,由于電磁干擾的存在,每一級(jí)都有可能引進(jìn)新的噪聲,后級(jí)的性能也會(huì)對(duì)系統(tǒng)載噪比產(chǎn)生重要影響。因此,需要重點(diǎn)考慮電磁干擾對(duì)系統(tǒng)性能帶來的損失。有源天線的主要目的是補(bǔ)償天線至接收機(jī)的電纜損耗,對(duì)于天線和接收機(jī)比較接近的場景,天線至接收機(jī)的損耗基本可以忽略,則可以直接采用無源天線,通過進(jìn)步接收機(jī)內(nèi)部第一級(jí)低噪聲放大器的增益和噪聲系數(shù)性能,同樣可以達(dá)到采用有源天線的性能。第一級(jí)的噪聲系數(shù)決定了前級(jí)引進(jìn)噪聲的大小,而第一級(jí)的增益則決定了后級(jí)引進(jìn)的噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響,第一級(jí)的增益越大,后級(jí)噪聲性能對(duì)系統(tǒng)性能的影響越小,但同時(shí)需要考慮整個(gè)信號(hào)通路至A/D 量化部分的總體增益,以確保A/D 量化對(duì)信噪比的損失最小。

下圖給出了接收機(jī)前級(jí)低噪聲放大器的噪聲系數(shù)對(duì)系統(tǒng)整體載噪比的影響,圖中還給出了不同增益天線的性能差異。實(shí)際中選用天線時(shí),除天線增益外,還需要考慮天線的方向圖、不圓度以及軸比、駐波系數(shù)等性能。

圖 2 前級(jí)放大器噪聲系數(shù)對(duì)載噪比的影響

接收機(jī)前A/D 轉(zhuǎn)換過程也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)載噪比的降低,A/D 量化對(duì)信噪比的影響主要和A/D 量化位數(shù)有關(guān),一般以為,1bit 量化會(huì)導(dǎo)致1.96dB 的載噪比損失,但該值的條件是中頻帶寬為無窮寬。A/D 轉(zhuǎn)換的載噪比損失還和中頻帶寬有關(guān),對(duì)于中頻帶寬即是C/A碼帶寬而言,1bit 量化會(huì)導(dǎo)致3.5dB 的載噪比損失,而3bit 量化帶來的載噪比損失為0.7dB([4])。

此外,A/D 轉(zhuǎn)換對(duì)性能的影響還和A/D 量化最大閾值和噪聲的均方根(RMS)之間的比例有關(guān)。

接收機(jī)的熱噪聲基底為:

假設(shè)接收機(jī)帶寬為GPS C/A 碼的帶寬2.046MHz,則熱噪聲基底的功率為:

該功率遠(yuǎn)大于GPS 輸進(jìn)信號(hào)功率-130dBm,因此系統(tǒng)的增益控制以及A/D 量化閾值主要由熱噪聲確定,與輸進(jìn)信號(hào)強(qiáng)度基本無關(guān)。

常用的GPS 射頻芯片中,A/D 量化和自動(dòng)增益控制部分的電路都是聯(lián)合設(shè)計(jì)的,根據(jù)A/D 量化閾值的要求設(shè)置自動(dòng)增益控制的控制電平。

2.2 基帶算法性能對(duì)靈敏度的影響

基帶算法性能直接影響信號(hào)捕捉、跟蹤以及解調(diào)過程對(duì)載噪比的最低要求。GPS 信號(hào)是一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng),對(duì)于C/A 碼而言,其擴(kuò)頻碼為碼長1023 的Gold 碼,碼速率為1.023Mcps,即每1ms 為一個(gè)C/A 碼周期。因此,可以通過進(jìn)步本地碼和接收信號(hào)之間的積分時(shí)間來進(jìn)步接收信號(hào)的載噪比。

積分方式分為相干累積和非相干累積。相干累積是指直接用本地碼和接收信號(hào)按位相乘后再累加,而非相干累積則是對(duì)相干累積的結(jié)果再進(jìn)行直接相加。

相干累積結(jié)果可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算([5]):

其中,Δf 為本地本振與載波之間的頻率差,T 為相干累積時(shí)間,CN0為到達(dá)基帶時(shí)的信號(hào)載噪比,單位為dBHz, R(τ ) 為C/A 碼的自相關(guān)函數(shù), Δφ 為初始相位差, D為信號(hào)調(diào)制的導(dǎo)航電文符號(hào), ηI 和ηQ 分別為I 路和Q 路的噪聲。

由公式(6)(7)可知,相干累積結(jié)果和相干累積時(shí)長非常相關(guān),相干累積時(shí)間越長,對(duì)輸進(jìn)載噪比的要求越低,其靈敏度也就越高,但累積時(shí)長過長,由于頻偏Δf 的影響,上式中第一項(xiàng)值也會(huì)越小,又會(huì)降低其靈敏度。因此,一般高靈敏度的GPS 接收機(jī)都需要采用頻率穩(wěn)定度較高的TCXO作為本振,以降低本地頻率和載波頻率之間的偏差。一般而言,高靈敏度的基帶算法對(duì)本振的穩(wěn)定度要求在8ppm 左右,該穩(wěn)定度包括校正偏差、老化以及溫度補(bǔ)償穩(wěn)定度,對(duì)于頻率校正穩(wěn)定度為2ppm、老化穩(wěn)定度為5ppm 的TCXO 而言,一般要求其溫度補(bǔ)償穩(wěn)定度在0.5ppm 以內(nèi)。

非相干累積結(jié)果為

,通過公式(6)(7)還可以看出,當(dāng)采用非相干累積時(shí),由于ηI 和ηQ的存在,其信噪比會(huì)比相干累積有所降低。

下圖給出了不同頻率偏移情況下相干累積結(jié)果隨相干時(shí)長變化的情況。由圖中可以看出,當(dāng)頻偏較小的情況下,可以選擇較長的相干時(shí)長以達(dá)到較高的相干累積結(jié)果。

圖 3 相干時(shí)長與相干累積結(jié)果的關(guān)系

2.3 高接收靈敏度的GPS 接收機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)本文前述內(nèi)容的分析可知,要設(shè)計(jì)高接收靈敏度的GPS 接收機(jī),需要從以下幾個(gè)方面著手:

1、要有好的抗干擾和隔離設(shè)計(jì),由于GPS 信號(hào)屬于弱信號(hào),信號(hào)強(qiáng)度在-130dBm左右,因此射頻通道內(nèi)任何一級(jí)引進(jìn)的干擾都有可能極大地影響系統(tǒng)的接收信噪比,因此,需要從電路設(shè)計(jì)上做到抗干擾和隔離,尤其是地線的設(shè)計(jì),差的地線設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)信噪比降低6dB 以上;

2、需要最小化接收機(jī)噪聲,即盡可能進(jìn)步系統(tǒng)的G/T 值,這可以從盡量降低前級(jí)噪聲系數(shù)、前級(jí)增益等方面進(jìn)行,但同時(shí)還需要考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍,全通道增益不能過大;

3、要有好的基帶算法,包括對(duì)信噪比要求極低的捕捉、跟蹤算法,這一點(diǎn)目前在業(yè)界很多GPS基帶芯片內(nèi)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn);

4、需要高穩(wěn)定度的本振,這也是好的基帶算法能夠工作的必要條件。

3 總結(jié)

隨著GPS 應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展,業(yè)界對(duì)GPS 接收機(jī)的靈敏度要求也越來越高。GPS 接收機(jī)的靈敏度主要受兩個(gè)部分的限制:一是接收機(jī)前端電路包括天線部分的設(shè)計(jì),二是接收機(jī)基帶算法的設(shè)計(jì)。其中,接收機(jī)前端電路決定了接收信號(hào)到達(dá)基帶部分時(shí)的信噪比,而基帶算法則決定了解調(diào)、捕捉、跟蹤過程所能容忍的最小信噪比。本文針對(duì)上述兩個(gè)方面的原理分別進(jìn)行了闡述,并給出了高靈敏度接收機(jī)設(shè)計(jì)的建議。

參考文獻(xiàn)

[1]. M. Braasch and F. van Graas, “Guidance accuracy considerations for realtime GPS interferometry,” in Proc. 4th Int. ech. Meeting Satellite Division of the Institute of Navigation, Sept. 1991, pp. 373–386.

[2]. P. Nieuwjaar, “GPS signal structure,” NATO AGARD Lecture Series No. 161, The NAVSTAR GPS System, Sept.1988.

[3]. Anonymous, Interface Control Document ICD-GPS-200, Arinc Research Corporation, Fountain Valley, CA, July1991.

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[5]. Bradford W. Parkinson, James J. Spilker Jr., Global Positioning System: Theory and Applications, Volume I, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1996(end)

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