复杂射频干扰环境下的高灵敏度GPS系统设计（上） GPS系统, 灵敏度

forsuccess

1引言
　　GPS功能已成为智能手机的标准配置。随着便携式设备市场的爆发性成长，手机环境下的射频干扰，已经成为GPS系统设计者最为头疼的问题之一。在如此嘈杂的射频干扰环境下设计高灵敏度的GPS系统，已经是手机设计中最大的挑战。
　　本文将对采用前置低噪声放大器的GPS系统进行研究，通过增加前置低噪声放大器的方法，GPS系统的灵敏度和首次定位时间将得到明显提高，且抗干扰能力更强。
　　2 GPS系统简介
　　目前GPS功能已成为智能手机中的标准配置。导航服务是GPS的一大应用，在手机中集成GPS，可以非常轻松地实现车辆的自主导航，用户将不再因为迷路耽误自己的行程，便捷而实用。越来越多带GPS功能的手机反过来将会推动位置服务（LBS）的发展。LBS应用通过手机的位置信息可以滋生出很多增值服务，比如帮助用户找到附近的饭店、银行、交通服务设施等，这种服务将是未来信息领域一个主要的新兴市场。在可预见的未来，GPS功能将会随着手机功能的拓展而衍生出越来越多的应用。
　　但是与此同时，手机中集成的GPS系统也面临着日益严重的问题。随着无线通信技术的快速发展和手机功能的不断增多，各种射频标准的相互干扰问题凸显。目前手机中集成的射频标准主要有第二代数字通信标准GSM，第三代TD-SCDMA/WCDMA，蓝牙 Bluetooth，调频收音FM-radio，无线局域网WLAN等等。在设计手机系统时，必须考虑电磁干扰（EMI）和电磁兼容EMC）的问题，以避免相应的功能受到环境干扰而性能受损，甚至无法工作的恶劣影响。尽管各个国家和地区已经建立了相应的电磁规范以规避上述问题，但手机设计和制造厂商依然面临着日益复杂和严峻的挑战。
　　相对于其它无线通信系统而言，GPS系统的输入信号功率非常微弱。按照GPS系统的设计规范，GPS信号是从距离地面约两万公里的低轨卫星上发送到地面上的固定或移动装置，以地面接收装置距离卫星的地平面仰角50度为例，GPS的L1频段中心频率为1575.42MHz，则自由空间衰减F可由下式计算：
　　（1）
　　则接收到的GPS信号L1频段功率Pr可近似由下式计算得到：
　　Pr=Ps-F-Loss （2）
　　卫星的有效发射功率Ps为26.8dBW，自由空间衰减F约为183dBc，额外的大气损耗Loss约为3.7dBc，这样得到的GPS系统L1频段 CA码信号的地面强度约为-160dBW，即-130dBm。在实际使用过程中，由于卫星发射和地面接收机的仰角不同，以及受树木，建筑，桥梁等的遮挡，一般GPS信号到达地面的强度甚至可能远远低于-130dBm。
　　而其它的通信系统中，GSM900发射功率为 33dBm，GSM1800和GSM1900均为30dBm，WLAN为14～20dBm，Bluetooth为0到10dBm，其最大强度大约是GPS 信号的10的15次方倍，即1000万亿倍！即使在GPS接收机前端增加传统的SAW带通滤波器，由于干扰信号的频段距离GPS的频段较近，一般只能提供额外的30～40dB隔离度，远远不足以将干扰信号衰减到忽略不计的程度。如此恶劣的射频环境给GPS系统设计带来了非常严峻的挑战。
　　对系统设计者而言，GPS系统有几个比较关键的设计指标，如灵敏度Sensitivity和首次定位时间（简称TTFF）等等。手机中的GPS系统常常受到外部射频干扰的影响，此时的干扰可以看作噪声的一部分，在降低信噪比参数的同时，灵敏度指标也随着恶化，首次定位时间TTFF延长，直至完全无法搜索到 GPS信号。
　　让我们来看一下射频干扰是如何影响GPS系统性能的。一般而言，GPS系统的灵敏度可由下式决定：
　　灵敏度Sensitivity［in dBm］
　　（3）
　　式（3）中，第一项Eb/N0由GPS系统的基带BPSK解调性能决定的，第二项中，Rb是GPS基带信号码率，C/A码中Rb等于50赫兹，即 20毫秒的相干累积时长所得到的处理增益；第三项Gp是系统非相干积累增益；第四项N0为系统天线端口的热噪声功率谱密度，在室温下等于 -174dBm/Hz，第五项为GPS系统的噪声系数。前三项代表了GPS基带部分所带来的性能限制，而后两项则代表了射频部分所带来的性能限制。在 GPS的系统设计中，灵敏度的提高也是通过提高两个方面来得以实现，一部分是基带的Eb/N0解调性能，另外一部分则是射频部分的噪声系数NF性能。
　　除了灵敏度是消费者最关心的GPS系统指标之外，首次定位时间（TTFF）也直接影响消费者的切身体验。GPS设备的TTFF与其启动条件有关，可以分为三种情况：一是接收器本身完全无有效卫星数据的冷启动（Cold Start）；一是接收器具有有效的星历数据、时间和起始位置，称为暖启动（Warm Start）；如果再具有更准确的广播星历数据，则称为热启动（Hot Start）。
　　对于一个不具任何有效定位数据的GPS终端来说，最重要的是要收齐四颗卫星个别的广播星历及卫星时间数据，才能正确地计算定位。由于卫星是以50bit/s的速率来发射信号，因此同步收齐四颗卫星一个完整帧数据的时间，至少需要30秒（即1500bps），其中需花18秒下载广播星历。因此，冷启动与热启动的定位时间相差甚大，前者所需时间至少需要 18~36秒，接收过程中如果出现了任何干扰而导致信号中断，那就得重新再接收一次。相比较之下，如果在GPS设备的内存中已有完整且有效的广播星历资料，只要确认目前在头顶上的四颗卫星，即可立即进行定位计算，定位动作甚至在1秒之内就可完成。
　　冷启动的首次定位时间由如下几项组成，接收机启动时间Twarm，捕获时间Tacq，跟踪时间Ttrack，导航电文读取时间Tced+gst，导航方案计算时间TPVT。而热启动仅仅包括捕获时间Tacq，跟踪时间Ttrack。一般而言，Twarm，Tced+gst，TPVT是相对固定的，而Ttrack和Tacq则决定了系统的首次定位时间长短。本文仅考虑射频干扰对Tacq和Ttrack的影响而忽略其它时间项从而简化了分析模型。在捕获和跟踪期间，系统通常有两种处理方法来提高解调增益：相干累积和非相干累积。
　　相干累积可以较大提高处理增益，但相干时长不能无限加长，因为20毫秒周期的导航电文会带来位翻转，从而影响相干结果。而非相干累积可以采用较大的累积时长来获得更大的增益。但是相对于相干累积而言，非相干累积存在平方损失， 考虑到该损失之后的非相干累积的总增益可由下式计算：
　　（4）
　　式（4）中第二项为非相干累积所带来的平方损失项，n为非相干累积的次数，直接决定非相干累积的持续时间，在给定检测概率Pd=0.9和虚警概率Pfa=1e-7时Dc（1）约等于21。