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復雜射頻干擾環境下的高靈敏度GPS系統設計

作者: 時間:2014-07-07 來源:網絡 收藏

本文引用地址:http://www.j9360.com/article/259379.htm

1引言

GPS功能已成為智能手機的標準配置。隨著便攜式設備市場的爆發性成長,手機環境下的,已經成為設計者最為頭疼的問題之一。在如此嘈雜的環境下設計,已經是手機設計中最大的挑戰。

本文將對采用前置進行研究,通過增加前置的方法,GPS系統的靈敏度和首次定位時間將得到明顯提高,且抗干擾能力更強。

2 GPS系統簡介

目前GPS功能已成為智能手機中的標準配置。導航服務是GPS的一大應用,在手機中集成GPS,可以非常輕松地實現車輛的自主導航,用戶將不再因為迷路耽誤自己的行程,便捷而實用。越來越多帶GPS功能的手機反過來將會推動位置服務(LBS)的發展。LBS應用通過手機的位置信息可以滋生出很多增值服務,比如幫助用戶找到附近的飯店、銀行、交通服務設施等,這種服務將是未來信息領域一個主要的新興市場。在可預見的未來,GPS功能將會隨著手機功能的拓展而衍生出越來越多的應用。

但是與此同時,手機中集成的GPS系統也面臨著日益嚴重的問題。隨著無線通信技術的快速發展和手機功能的不斷增多,各種射頻標準的相互干擾問題凸顯。目前手機中集成的射頻標準主要有第二代數字通信標準GSM,第三代TD-SCDMA/WCDMA,藍牙Bluetooth,調頻收音FM-radio,無線局域網WLAN等等。在設計手機系統時,必須考慮電磁干擾(EMI)和電磁兼容EMC)的問題,以避免相應的功能受到環境干擾而性能受損,甚至無法工作的惡劣影響。盡管各個國家和地區已經建立了相應的電磁規范以規避上述問題,但手機設計和制造廠商依然面臨著日益復雜和嚴峻的挑戰。

相對于其它無線通信系統而言,GPS系統的輸入信號功率非常微弱。按照GPS系統的設計規范,GPS信號是從距離地面約兩萬公里的低軌衛星上發送到地面上的固定或移動裝置,以地面接收裝置距離衛星的地平面仰角50度為例,GPS的L1頻段中心頻率為1575.42MHz,則自由空間衰減F可由下式計算:

(1)

則接收到的GPS信號L1頻段功率Pr可近似由下式計算得到:

Pr=Ps-F-Loss (2)

衛星的有效發射功率Ps為26.8dBW,自由空間衰減F約為183dBc,額外的大氣損耗Loss約為3.7dBc,這樣得到的GPS系統L1頻段CA碼信號的地面強度約為-160dBW,即-130dBm。在實際使用過程中,由于衛星發射和地面接收機的仰角不同,以及受樹木,建筑,橋梁等的遮擋,一般GPS信號到達地面的強度甚至可能遠遠低于-130dBm。

而其它的通信系統中,GSM900發射功率為33dBm,GSM1800和GSM1900均為30dBm,WLAN為14~20dBm,Bluetooth為0到10dBm,其最大強度大約是GPS信號的10的15次方倍,即1000萬億倍!即使在GPS接收機前端增加傳統的SAW帶通濾波器,由于干擾信號的頻段距離GPS的頻段較近,一般只能提供額外的30~40dB隔離度,遠遠不足以將干擾信號衰減到忽略不計的程度。如此惡劣的射頻環境給GPS系統設計帶來了非常嚴峻的挑戰。

對系統設計者而言,GPS系統有幾個比較關鍵的設計指標,如靈敏度Sensitivity和首次定位時間(簡稱TTFF)等等。手機中的GPS系統常常受到外部的影響,此時的干擾可以看作噪聲的一部分,在降低信噪比參數的同時,靈敏度指標也隨著惡化,首次定位時間TTFF延長,直至完全無法搜索到GPS信號。

讓我們來看一下射頻干擾是如何影響GPS系統性能的。一般而言,GPS系統的靈敏度可由下式決定:

靈敏度Sensitivity[in dBm]

(3)

式(3)中,第一項Eb/N0由GPS系統的基帶BPSK解調性能決定的,第二項中,Rb是GPS基帶信號碼率,C/A碼中Rb等于50赫茲,即20毫秒的相干累積時長所得到的處理增益;第三項Gp是系統非相干積累增益;第四項N0為系統天線端口的熱噪聲功率譜密度,在室溫下等于-174dBm/Hz,第五項為GPS系統的噪聲系數。前三項代表了GPS基帶部分所帶來的性能限制,而后兩項則代表了射頻部分所帶來的性能限制。在GPS的系統設計中,靈敏度的提高也是通過提高兩個方面來得以實現,一部分是基帶的Eb/N0解調性能,另外一部分則是射頻部分的噪聲系數NF性能。

除了靈敏度是消費者最關心的GPS系統指標之外,首次定位時間(TTFF)也直接影響消費者的切身體驗。GPS設備的TTFF與其啟動條件有關,可以分為三種情況:一是接收器本身完全無有效衛星數據的冷啟動(Cold Start);一是接收器具有有效的星歷數據、時間和起始位置,稱為暖啟動(Warm Start);如果再具有更準確的廣播星歷數據,則稱為熱啟動(Hot Start)。

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