GPS接收机的灵敏度分析TheAnalysisontheSensitivityofGPSReceiver深圳市华颖锐兴科技有限公司摘要:GPS接收机的灵敏度是影响GPS应用范围的非常关键的指标,目前业界纷纷推出高灵敏度的GPS接收系统,使得GPS的室内定位成为可能,大大拓展了GPS的应用场景.本文对GPS接收机的灵敏度性能进行原理性分析,并给出了设计高灵敏度GPS接收模块的建议.关键词:GPS高灵敏度接收机设计Abstract:HighsensitivityisakeyfeatureforGPSreceivertoextenditsapplicationfield.AlotofhighsensitivityGPSreceiverchipsetshasbeenputforwardintheindustry,makingtheindoorpositioningpossible.ThispaperanalyzestheprincipleofthehighsensitivityfrombothRFpartandbasebandpart,andgivessomeadvicesonthedesignofhighsensitivityGPSreceiver.Keywords:GPS,HighSensitivity,ReceiverDesign1GPS接收机的灵敏度定义随着GPS应用范围的不断扩展,业界对GPS接收机的灵敏度要求也越来越高,高灵敏度的接收性能可以令接收机在室内或其它卫星信号较弱的场景下仍然能够实现定位和跟踪,大大拓展了GPS的使用范围.作为GPS接收机最为重要的性能指标之一,高灵敏度一直是各个GPS接收模块孜孜以求的目标.对于GPS接收系统而言,灵敏度指标包括多个场景下的指标,分别为:跟踪灵敏度,捕获灵敏度,初始启动灵敏度.目前业界已经可以实现跟踪灵敏度在-160dBm以下的接收机,同时,初始启动的灵敏度和捕获灵敏度也分别可以达到-142dBm和-148dBm以下.GPS接收机首先需要完成对卫星信号的捕获,完成捕获所需要的最低信号强度为捕获灵敏度;在捕获之后能够维持对卫星信号跟踪所需要的最低信号强度为跟踪灵敏度.为了实现定位,GPS接收机还需要解调GPS卫星发送的导航电文,相应的,解调导航电文所需要的最低信号强度为初始启动灵敏度.根据上述定义可知,跟踪灵敏度最高,捕获灵敏度次之,初始启动灵敏度最差.2GPS接收模块的灵敏度性能分析从系统级的观点来看,GPS接收机的灵敏度主要由两个方面决定:一是接收机前端整个信号通路的增益及噪声性能,二是基带部分的算法性能.其中,接收机前端决定了接收信号到达基带部分时的信噪比,而基带算法则决定了解调,捕获,跟踪过程所能容忍的最小信噪比.2.1接收机前端电路性能对灵敏度的影响GPS信号是从距地面20000km的LEO(LowEarthOrbit,低轨道卫星)卫星上发送到地面上来的,其L1频段(fL1=1575.42MHz)自由空间衰减为:F=(0.19λ2)=()≈5.73×1019≈182.4dB4πR4π×2×107(1)按照GPS系统设计指标,频段的C/A码信号的发射EIRPEffectiveIsotropicRadiatedL1(Power,有效通量密度)为P=478.63W(26.8dBw)([1][2]),若大气层衰减为A=2.0dB,则GPS系统L1频段C/A码信号到达地面的强度为:PC/A=PFA=26.8182.42.0=157.6dBw(2)GPSICD(InterfaceControlDocument,接口控制文档)文件([3])中给出的GPS系统L1频段C/A码信号强度最小值为-160dBw,和上述结果一致.在实际场景中,由于卫星仰角的不同,以及受树木,建筑物等的遮挡,L1频段C/A信号到达地面的强度可能会低于-160dBw.一般GPS接收机的结构如下图所示:图1GPS接收模块的一般结构GPS信号被天线接收下来后,如果天线有源,则经过滤波器和低噪放,再通过电缆接到接收机部分,接收机内同样经过一级低噪放和一级滤波器,再进入射频前端模块进行下变频和模数转换处理.上图中,天线后直接接滤波器进行前置滤波,其作用在于防止宽带干扰阻塞低噪放,但会增大前级的噪声系数,因此在选用器件时需要考虑采用插损尽量小的滤波器.天线的有源部分主要是用来补偿从天线到接收模块之间的电缆损耗,如果天线和接收模块之间的插损极小,则可以使用无源天线.GPS接收机前端的特性可以由整个接收机的G/T值来表征.设GPS接收机的射频前端可以分为n级,第i级的增益,噪声系数,等效噪声温度分别为Gi,NFi,Tei,则GPS接收机的总的等效噪声温度为:Te=Te1+Te2T