车载系统的GPS接收机射频前端的设计方案
gps（globle positioning system）是一种可以定时和测距的空间交会定点导航系统，它可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和实践信息。gps提供两种服务：标准定位服务（sps）和精密定位服务（pps）。
利用gps技术进行地面机动车辆的导航定位，无论在军用或民用领域，都有着广泛而重要的应用价值。现在各国正处于应用中的自动车辆定位导航（avln）系统组成方案具有多样性，但就其系统结构而言主要包括三大部分：车载系统、通信系统、中心控制管理系统。
车载系统应用环境的特殊性对电路性能具有更高的要求，而射频电路的设计是实现高性能的关键。如果射频电路设计不好，接收机的噪限灵敏度和信噪比以及其它技术指标都会大大下降，从而影响所接收信号的效果。
图1所示为自动车辆定位导航（avln）系统组成框图，其中gps接收机前端中射频电路的设计将是本文讨论的重点。
图1：自动车辆定位导航（avln）系统组成框图
2．gps接收机射频前端的设计要求
2.1 gps接收机的基本组成
大多数接收机有多个通道，每一个通道跟踪来自一颗卫星的发射信号。图2给出了一般性的多通道gps接收机的方框图。
图2：一般gps接收机基本结构框图
接收到的rf cdma卫星信号先用一个无源的带通滤波器滤波，以减小带外射频干扰。常规情况下后面接着是一个预放。然后射频信号下变频到中频（if）。在典型的现代接收机方案中，用a/d变换器对if信号采样和数字化。a/d采样速率典型情况下为prn基码速率的8~12倍。最小采样速率是码的带止带宽的2倍以满足奈魁斯特判据。过采样会降低接收机对于a/d量化噪声敏感度，因而减少在a/d变换器中所需的位数。采样送到数字信号处理器中。dsp中包含n个并行通道，以同时跟踪来自最多达n颗卫星的载频和码。每个通道中包含码和载波跟踪环，以完成码和载波相位测量，以及导航电文数据的解调。
2．2射频干扰对跟踪的影响
因为gps接收机依赖于外部rf信号，所以它们容易受rf干扰的影响。rf干扰可能会引起导航精度的降低或接收机跟踪的完全丢失。表1概括了各种rf干扰类型。rf干扰可能是无意的或有意的。尤其在车载gps接收机的设计中，更要考虑到路面状况和车载本身移动性所造成的干扰。
表1：各种rf干扰类型
2.3射频前端设计要求
接收机的rf部分包括从天线到数字处理器之间的所有部件。这一定义明确表示rf前端包括rf放大器、滤波器、下变频器、增益控制和本地信号发生器。rf前端也包括天线及支持rf工作的供电线路等。我们知道，c/a码是以码速率1.023mhz调制在1575.42mhz的扩谱信号。到达天线的卫星信号功率大约为-130dbm，深埋于热噪声电子之下（-114dbm／mhz）．因此rf前端必须将该信号放大到某一电平之上，使得该信号可以为数字处理器所利用，假定该电平为0dbm/mhz，则要求前端总增益不低于110db。
rf电路还必须将载波1575mhz下变频到数字处理器工作频率范围之内即最后一级中频if。从rf到if的转换可通过一级或几级下变频实现，if与转换级数的选择对rf设计是很重要的。目前gps接收机的设计大都采用二级或多级转换将rf变到if。这是因为在不同频率点分配增益稳定性较好，并且由于更多的优化滤波可提高接收机抗干扰能力。
上述三部分——放大、下变频和滤波是接收机rf前端设计的主要部分，另外两部分为自动增益控制（agc）和本地振荡信号发生器。rf硬件最后一部分是产生所要求的本地振荡信号。不管下变频级数多少，每级均要求一个稳定的本地振荡信号源，这可采用温补晶振tcxo参考源及pll锁相压控振荡器vco、倍频器、分频器来实现。
另外，gps接收机噪声系数是系统性能指标应考虑的又一问题。对于民用接收机前端噪声系数为4~6db时均可保证系统工作。
3．应用于车载系统的gps接收机的设计实现
3．1 gps射频前端的电路构成
gps接收机的rf部分，通常是将天线接收到的gps射频信号，经过低噪声放大器（lna）的滤波和放大，与本机振荡器产生的正弦波信号进行混频，形成中频信号。大部分gps接收机的本振采用的是精密的石英晶体振荡器为基准的频率综合器。中频信号除了在载波频率上变低以外，rf信号的所有调制的信号信息都转移到中频信号上。在gps接收机模拟部分与数字部分之间必须有个模数（a/d）变换器，有的直接采样接收机面对的不是中频信号，而是直接对rf信号进行a/d采样。这在低价位的混合模拟（a/d）芯片中，未带来优势，直接采样不但要高速a/d转换器，更重要的是增加了后面数字部分的处理工作量。如下图3为应用于车载的gps接收机射频前端的电路设计。
图3：gps接收机射频前端
3．2 射频前端技术参数的设定
rf前端包括1400mhzpll频率合成器、低噪放大器、三级混频器、2比特a/d转换器。前端接收1575.42mhz卫星信号，通过三级变频转换为4.309mhz if。当前端与相关器配合使用时，后者提供5.714mhz采样时钟，将if转换为1.405mhz 2比特数字信号以电平输出。第一级、第二级混频均为平衡开集输入输出，要求外部直流偏置及滤波。设计中175.42mhz滤波器采用带宽较宽的简单的两级lc参差调谐滤波器，而第二级则采用1db带宽为1.9mhz的声表面滤波器，具有较好的带外抑制能力，对系统滤波性能起了决定性的作用。另外，两种滤波器的插入损耗也是不同的，前者较低而后者较高，从整体上来说，两者性能是互补的。第三级输出if采用片内滤波。其中增益量化表达式为：
-l 74dbm／hz 19dbm+g1+g2+g3-21db +63db 》 -7dbm 其中：
1）-7dbm＝agc工作时if输出所要求的典型电平
2）-174dbm／hz＝rf输入的背景噪声电平
3）19db＝低噪放大器增益与噪声系数之和
4）-21dbm＝175mhz、35.42mhz滤波器插入损耗之和（175mhz滤波器插入损耗：0~5 db，35.42mhz滤波器插入损耗：14db~16db）
5）63db＝2mhz带宽内噪声之和。
由上述表达式可获得对各级混频增益的要求，即：g1+g2+g3＞106db
g1、g2、g3增益及agc增益范围为：
g1：11db~25db
g2：22db~33db
g3：106db~g1-g2，最大为75db 。
agc动态范围为60db，可满足系统对增益的要求。
4.小结
随着通讯技术和半导体集成技术的发展，gps系统已被广泛应用于飞机导航、船舶进出港控制、各种车辆的定位与指挥调度、基站或无线本地环路定时等领域．近年来gps系统，已经在大地测绘、海上渔用、车辆定位监控、建筑、农业等各个领域得到广泛应用。从九十年代我国引进gps定位技术开始，经过十多年的市场培育，gps定位应用进入了发展的最好时机，未来十年基于gps的应用将会改变我们的生活和工作方式。
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表1：各种rf干扰类型
2.3射频前端设计要求
接收机的rf部分包括从天线到数字处理器之间的所有部件。这一定义明确表示rf前端包括rf放大器、滤波器、下变频器、增益控制和本地信号发生器。rf前端也包括天线及支持rf工作的供电线路等。我们知道，c/a码是以码速率1.023mhz调制在1575.42mhz的扩谱信号。到达天线的卫星信号功率大约为-130dbm，深埋于热噪声电子之下（-114dbm／mhz）．因此rf前端必须将该信号放大到某一电平之上，使得该信号可以为数字处理器所利用，假定该电平为0dbm/mhz，则要求前端总增益不低于110db。
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3）19db＝低噪放大器增益与噪声系数之和
4）-21dbm＝175mhz、35.42mhz滤波器插入损耗之和（175mhz滤波器插入损耗：0~5 db，35.42mhz滤波器插入损耗：14db~16db）
5）63db＝2mhz带宽内噪声之和。
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g1：11db~25db
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