GPS接收機(jī)中高頻通道的仿真

1 接收機(jī)的天線和傳輸損耗
　　GPS信號由于使用了碼元速率f_b1=1.023MHz的擴(kuò)頻碼(C/A碼)，調(diào)制后信號將占用2.046MHz帶寬。L1波段(1575.42MHz)信號的功率譜密度示意圖如圖1所示。擴(kuò)頻后信號帶寬在f_L1=1575.42MHz中心頻率的帶寬為2.046MHz，接收機(jī)天線的帶寬覆蓋范圍至少應(yīng)滿足f_L1±f_b1=
1 575.42±1.023MHz。
　　接收機(jī)接收的最小功率必須大于-160dBW(-130dBm)，為保證這一點(diǎn)，C/A碼調(diào)制的L1載波衛(wèi)星發(fā)射功率必須達(dá)到21.9W(13.4dBW也即43.4dBm)。如果發(fā)射機(jī)的輸出功率為43.4dBm，按最小接收機(jī)輸入電平-130dBm計算，即感應(yīng)在接收機(jī)天線上的信號電平最小為-130dBm，則后面仿真所列的實(shí)驗數(shù)據(jù)都是在假設(shè)傳輸損耗為173.4dB時得到的。
2 接收機(jī)高頻通道設(shè)計
2.1接收通道工作原理
　　GPS接收機(jī)將天線接收的L1波段粗碼(C/A碼)調(diào)制的擴(kuò)頻信號經(jīng)濾波、預(yù)放后，傳到后置放大器進(jìn)行再放大，混頻得到較低的中頻信號。這樣，經(jīng)過下變頻后，中心頻率從f_L1移到了中頻f_IF,但是頻譜中各分量之間的相比關(guān)系并不改變。以三級下變頻為例，接收通道的模塊圖如圖2所示,其中天線、濾波和放大器1構(gòu)成動態(tài)天線部分。

2.2 接收通道增益設(shè)計
　　現(xiàn)在計算從輸入端到二次混頻后的總增益。當(dāng)?shù)谌位祛l輸入正弦電壓的有效值達(dá)20mV時達(dá)到硬限幅。按最小接收機(jī)輸入電平約-160dBW(-130dBm)計算，在50Ω的輸入阻抗上的電壓為：
　　
　　按從輸入端到通道限幅器前總增益大于109dB計算，各級增益分配如下：
　　前置放大器增益：19dB；
　　2m電纜損耗：-2.5dB；
　　后置放大器增益：50dB；
　　二次混頻增益：-10+(-7)=-17dB；
　　中頻放大器增益：80dB；
　　合計總增益：129.5dB?？紤]到接收機(jī)動態(tài)下信號強(qiáng)度下降8dB，這樣輸入到限幅器輸入端總增益為121.5dB。如此設(shè)計的通道總增益滿足整機(jī)靈敏度要求。
　　大部分混頻變換增益(75dB)發(fā)生在第三次混頻——將第二次35.42MHz的IF信號變換到IF輸出頻率4.3MHz處。因此SAW(聲表面波)濾波器的輸出是IF鏈路上對外部干擾最敏感的部分。第三次混頻的增益控制范圍為60dB。
2.3 通道噪聲特性分析與計算
　　在GPS接收機(jī)中整個RF前端的噪聲特性(NF)如式(1)所示：
　　
　　其中：F 1：動態(tài)天線LNA的噪聲特性(dB)；
　　F 2：射頻—中頻轉(zhuǎn)換模塊(除IF濾波器外的所有電路模塊)的噪聲特性(dB)；
　　G1：動態(tài)天線LNA的RF信號增益(dB)；
　　L1：LNA之后由于RF濾波和電纜引入的RF信號損耗。
　　這里，取動態(tài)天線LNA的增益+26dB，噪聲特性1.5dB；取射頻—中頻轉(zhuǎn)換模塊(例如GP2015)的噪聲特性為9dB；從動態(tài)天線到射頻前端(包括附加的RF陶瓷帶通濾波器)的同軸電纜長度引入的損耗是可變的。假設(shè)電纜長2m，帶通濾波器插損(考慮整體損耗L1)為2.5dB。因此由式(1)可得：
　　
　　則接收機(jī)高頻通道的噪聲特性是1.6dB。
　　對于一個既定的動態(tài)天線的LNA噪聲特性， LNA增益越高，在射頻—中頻轉(zhuǎn)換部分整體接收到的噪聲特性的獨(dú)立性越小。從噪聲特性上來說，GPS接收機(jī)最好使用帶有低噪聲放大特性的動態(tài)天線，天線帶有合適的高LNA增益(>19dB)和非常小的電纜損耗(<-2dB)。
3 高頻通道電路的系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)
　　依據(jù)圖2高頻通道的原理圖，以及前面分析的增益分配和噪聲特性，構(gòu)建了它的System View系統(tǒng)仿真電路。

3.1 信號源
　　這里信號源采用了簡單的方式，只模擬了一種C/A碼，然后與數(shù)據(jù)信號D碼進(jìn)行模2相加，再調(diào)制到L1載波上，經(jīng)傳輸損耗后到達(dá)接收天線，接收天線收到的信號是引入噪聲的擴(kuò)頻信號。噪聲和干擾的仿真通過對仿真系統(tǒng)中加入假定噪聲或干擾信號來實(shí)現(xiàn)。這里，噪聲采用了溫度噪聲：阻抗=50Ω，噪聲溫度=300K。C/A碼以及經(jīng)C/A碼調(diào)制的D碼圖形如圖3所示。其中，經(jīng)C/A碼調(diào)制的D碼延時了5μs。

　　經(jīng)L1載波調(diào)制的擴(kuò)頻信號和接收機(jī)射頻前端接收到的RF信號如圖4所示。由圖可見，RF前端接收到的GPS信號淹沒在噪聲中。
3.2 接收到的中頻信號
　　第一級混頻產(chǎn)生的中頻輸出信號頻譜圖如圖5所示。其中，RF濾波器通帶中心頻率設(shè)置在1575.42MHz，2MHz通帶(-3dB)；第1個IF濾波器的中心頻率在175.42MHz，為兩極點(diǎn)的chebyshev響應(yīng)，0.1dB波紋?；祛l器為有源雙平衡混頻器。

　　由圖5可以看出第一級中頻輸出頻率在175.42MHz附近。
　　第二級混頻產(chǎn)生的中頻輸出信號頻譜圖如圖6(a)所示。其中，第2個IF濾波器為SAW帶通濾波器。中心頻率35.42MHz，通帶2MHz(±1dB)，插損14～18dB，止帶>10dB(±2M)，群延遲波紋<300ns(34.62～36.22MHz)，最大群延遲<1.7ns。SAW 通帶波紋0.8dB；SAW濾波器的頻率響應(yīng)特性用通常的有限沖擊響應(yīng)濾波器(FIR)來仿真。
　　將圖6局部放大后的頻譜圖如圖6(b)所示,可見第二級中頻輸出頻率在35.42MHz附近。