在商用和專用無線應用中，全球定位衛星的L1波段信號最微弱。GPS接收機天線收到的信號功率通常都淹沒在熱噪聲基底中。為成功地恢復出這些微弱信號，接收機必須具有足夠高的接收靈敏度，并能抑制帶外干擾。本文主要討論在設計一個外圍元件很少的低成本商用GPS接收機時應該考慮的關鍵系統參數。這種系統的目標接收靈敏度為-139dBm。

全球定位系統(GPS)是一種精密的衛星導航系統，由美國國防部投資構建。該系統由24顆繞地球旋轉的衛星組成，衛星連續不斷地發送位置和時間信息。這些衛星均勻地分布在6個軌道上，每個軌道有4 顆衛星。地面GPS接收機可接收5到12顆衛星信號。為實現地面定位功能，GPS接收機至少需要接收4個衛星信號，其中3個信號用來計算GPS接收機的緯度、經度和海拔高度，第四個信號提供同步時間校準[1]。

如圖1所示，每顆衛星都在兩個載波上發送獨立的直序擴頻(DSSS)信號。之所以使用擴頻技術，是因為它具有很好的抗窄帶干擾能力。第一個載波頻率駐留在L1波段(中心頻率為1575.42MHz)，另一個載波頻率駐留在L2波段(中心頻率為1227.6MHz)。L1波段主要用于民用設備，包含兩個信號。一個為粗略測距捕獲碼(C/A碼)，另一個為精確測距碼(P碼)。L2波段僅用于軍事設備，只有P碼。所有24顆衛星的L1波段衛星信號都能夠占用相同頻段而互不干擾，經過上變頻發射后，它們都通過32種偽隨機噪聲(PRN)碼中的1種擴頻到2.046MHz帶寬上。

圖1. L1和L2波段中P碼和C/A碼GPS信號

通過PRN碼擴頻后的GPS信號不但可以與其它信號區分開來，而且還具有抗干擾能力。抗干擾能力主要取決于系統的處理增益。處理增益越高，GPS信號的擴展頻帶就越寬。如果將信號擴展到很寬的頻帶，信號受窄帶干擾破壞的幾率將大大降低。信號經過解擴后，窄帶干擾被擴展。對GPS應用來說，每個PRN碼序列的長度為1023位，擴頻率為1.023Mbps [2]。處理增益被定義為：

處理增益 = 10 log (碼片率/數據速率) = 43dB     (式1)

本例中，碼片率 = 1.023Mcps，數據速率 = 50bps。

解擴后GPS信號的質量決定了GPS接收機的精度，它由比特誤碼率(BER)來量化。假設要求基帶處理器的BER為10-5，則用于BPSK調制的相關器的Eb/N0不小于9.5dB (AWGN受控) [3]。Eb/N0定義為每比特能量與噪聲譜密度的比值。從所要求的9.5dB的相關器Eb/N0中減去43dB的處理增益，可以得到相關器輸入端的信噪比(SNR)為-33.5dB。假設軟件GPS的工作損耗為3.5dB，則量化器輸入端的信噪比(SNRQUANTIZER)為-30dB。在整個2.046MHz采樣帶寬內，總體噪聲功率(kTB，T = +290°K)近似為-111dBm。為獲得-139dBm的目標靈敏度，需要接收機的串聯噪聲系數(NF)等于-28dB的天線端信噪比(SNRANTENNA = -139dBm/-111dBm)與-30dB的SNRQUANTIZER之差。

NF = SNRANTENNA - SNRQUANTIZER = -28dB - (-30dB) = 2dB     (式2)

隨著GPS應用成為手機及其它個人手持設備集成方案的一部分，同一單元電路在不同應用中的干擾承受能力非常關鍵。評估抗干擾能力的一種方法是測量接收機靈敏度降低-1dB時的參數。以一個具有GPS功能的CDMA雙頻手機為例：CDMA手機功率放大器的典型發射功率為+25dBm，假設采用三頻濾波器和GPS帶通濾波器實現70dB的帶外(OOB)信號隔離，則GPS 接收機要求能承受-45dBm的帶外干擾信號強度。

為降低成本和尺寸，大多數制造商在設計多功能設備時更愿意使用一個公用的參考時鐘。而傳統的GPS接收機只能工作在16.36MHz參考時鐘下，如果GPS接收機是一個獨立單元，則不需要靈活的參考時鐘輸入。由于目前的手持設備存在多種參考頻率，如10.0MHz、13MHz、14.4MHz、19.2MHz、20.0MHz和26.0MHz，所以當低成本和小尺寸特性變得越來越重要時，選擇一個具有靈活的參考輸入的GPS接收機將非常有助于設計。

Maxim的集成GPS接收機MAX2741可以滿足所有這些要求。MAX2741集成了一個頻率合成器，合成器通過接收2MHz至26MHz的參考時鐘可靈活地進行頻率配置。由于采用外部LNA，MAX2741的串聯噪聲系數小于2dB。另外，對于800MHz手機頻帶和1800MHz PCS頻帶的干擾，該芯片靈敏度降低-1dB時功率維持在-37dBm，滿足-45dBm的帶外干擾抑制要求。

通常利用專用GPS基帶處理器集成電路計算接收到的PRN碼和GPS接收器中已知PRN碼的相關性，具有突破性創新的軟件GPS技術的出現，使GPS的相關處理和計算不再需要專用的基帶處理器，而是由駐留在應用處理器中的軟件實現。節省一個專用的基帶處理器不但大大降低了系統成本，還能顯著縮小GPS解決方案的尺寸。

MAX2741與軟件GPS方案相結合，能夠實現成本低、外圍元件少、靈敏度高達-139dBm的商用GPS接收機設計。

文章發表于Electronic Products 2006年2月刊。

參考文獻
Meel, J. "Spread Spectrum (SS)." ver. 2. De Nayer Institute. Dec 1999
Plausinaitis, Darius. "GPS and Other GNSS Signals." Dept. of Electronic Systems, Aalborg University. Oct 2006.
R. E. Ziemer and W. H. Tranter. Principles of Communications. 4th ed. Wiley, John & Sons, Inc., Dec 1994.