無線應用中高靈敏度GPS接收機的設計最近中國大陸成功發射了第三顆北斗一號導航定位衛星，它預示著中國GPS應用熱潮即將來臨。本文將向GPS設計工程師介紹在將GPS模組嵌入到其它無線通訊系統過程中，如何將被動天線與GPS晶片組緊密結合起來，並達到噪音極低、靈敏度極高、線性度極佳和成本最低的設計策略。 本文分析了直接將被動天線整合至GPS系統對系統性能的影響問題。由於我們所討論的系統採用了低增益低噪音的射頻前端，系統間干擾較低，而且最佳化了類比數位轉換器的裝載方式，所以可以實現系統中GPS射頻部份和高靈敏被動天線之間的連接。同時，耦合結構的精心設計又降低了接收機內的干擾。因而，得到的GPS接收機能夠應用於行動無線通訊頻率範圍，並具備高靈敏度和最佳化的抗干擾性能。本文提供了接收機動態範圍、靈敏度和干擾情況的試驗結果和模擬結果。由於系統內部隔離度較好，所以包括射頻和數位基頻部份在內，載噪比(carrier-to-noise ratio)總衰減低於5dB。 問題的提出 將GPS整合在可攜式行動設備中可以提供覆蓋面積更廣的定位服務。最近已有人提出並實現了基於定位技術的網路，然而這類基於網路的定位方法準確度依賴於基地台的數目、基地台與行動用戶的幾何位置，以及多徑效應。混合定位方法則將具備定位能力的GPS和蜂巢式通訊系統結合起來，不論在農村或城市均能提供廣大覆蓋面積的定位能力。 將GPS整合在無線行動通訊應用中時，所需成本、佔用面積和功耗會嚴重束縛GPS接收機的設計，這一點與獨立式GPS一樣會降低載噪比。為了滿足要求，必須採用高線性度、低噪音和低功耗的GPS接收機。而且，如果接收機的各個電路區域之間以及各電路和天線結構之間隔離不足，均會引發系統內干擾(或稱內部噪音)和系統間干擾(也稱外部噪音)，因而造成GPS性能下降。本文描述了GPS接收機中，由系統間或系統內隔離不足造成的載噪比下降，以及下降機制，還描述了單獨的GPS接收機特性和帶被動天線的GPS接收機整合在無線應用中之後得到的性能結果。表1提供了由於系統間和系統內隔離不足所造成的耦合路徑以及載噪比降低機制。 圖1提供了GPS接收機的組成框圖。圖中還指出了系統間隔離和系統內隔離，也就是圖1中的隔離1到隔離3，每一個隔離均對系統內隔離度有影響。根據系統間隔離度提出的接收機的前端設計和區分規則，與根據系統內隔離度所提出的要求是相矛盾的。透過在接收機外加一個高增益低噪音放大器(如圖1b所示)可以降低GPS接收機的系統內隔離度要求。而當系統間隔離度有限時，為滿足線性度要求，通常需要採用增益低於15dB的低增益低噪音放大器1,2，但前提是不犧牲靈敏度特性和功耗特性。圖1a提供了無線行動設備可採用的整合方案。系統整合度過於密集會影響天線之間的隔離度，因此要求系統內具有較高的隔離度，因而導致系統尺寸增大，成本增加，屏蔽、接地和去耦結構的設計複雜度也增大。單片GPS方案和密集封裝的GPS方案均會受有限系統內隔離度的影響。 我們已經開發出一套完整的GPS接收機方案，其核心功能包括低增益低噪音放大器、RF處理器和數位基頻處理器。透過降低系統內干擾和電路的數位部份產生的輻射能量，我們能夠將GPS天線和GPS晶片組緊密整合，而且無需犧牲接收機的線性度特性和靈敏度特性。 GPS模組設計 在整合GPS晶片組時必須保證能夠在一個更小的空間內實現較低的系統內干擾。因此，必須對接地、屏蔽和去耦結構進行仔細設計才能使PCB所佔面積最小，並同時滿足由接收機輸入熱背景噪音所定義的對系統內隔離度的要求。系統內干擾落在接收機通帶內的成分必須遠低於接收機的熱背景噪音。參考文獻3中對GPS接收機的設計方法論有詳細描述。 圖2a所示為一幅GPS接收機模組的照片，該模組的尺寸為25.4毫米 x 25.4毫米 x 3毫米。該模組必須採用圖中所示的兩個單獨的屏蔽結構，以降低數位噪音和類比噪音的耦合。而且天線被連接在類比和數位平面的反面，以改善系統的隔離度(參看文獻3)。圖2b中所示為直接將天線和GPS模組整合後的照片。只有仔細設計接地和屏蔽結構才能實現被動天線的直接整合，因為天線是直接安裝在GPS模組的背面的。減少接地平面的面積會增加天線的背面輻射。 GPS特性測量 測量載噪比(CNR)是一種較好的驗證GPS射頻處理器性能的方法。在CNR測量中，系統級測量法比類比測量更易實現，它是基於頻率測量和定時測量的一種測量方法，可直接反映被測系統的性能。本節所討論的GPS特性測量結果均基於CNR測量。 GPS性能通常用靈敏度、動態範圍和干擾測量來評定。透過靈敏度測量，可以確定系統的整體噪音特性(即接收機RF部份和基頻部份的總噪音衰減量)，接收機的背景噪音和能進行GPS追蹤所需的最小訊號電平。動態範圍指標定義了自動增益控制電路的工作範圍和類比數位轉換器的工作點。最後，干擾測量可以描述頻帶內CW(連續)阻塞訊號對CNR的影響。 1. 靈敏度測量 在靈敏度測量中，GPS應用訊號的電平不斷變化，而接收機輸入端的背景噪音則保持不變。因而輸入的CNR與GPS訊號強度成正比關係。接收機的整體噪音特性可表示為： NF=CNRin-CNRout=(PGPS-kT)-CNR (1) 其中表示GPS訊號電平，k是波爾茲曼常數，T表示溫度，CNR是被測的載噪比。在(1)中，括號中的一項代表輸入CNR，最後一項則代表輸出CNR。 圖3提供了被測CNR與圖2a中u-blox TIM-LP GPS模組的輸入GPS訊號電平之間的關係。在8ms積分時間內得到追蹤模式所要求的最小訊號強度為-142dBm(見圖中點A)。在系統的線性範圍內(以圖中點B為例)，由公式(1)可得噪音特性為5dB。系統模擬結果顯示，這種層疊噪音特性對整個CNR惡化的影響為2.5dB，而1.5位的類比數位轉換過程對CNR的影響為1.1dB。如果令輸入訊號強度等於接收機背景噪音，會發現CNR惡化3dB。在圖中C點處得到接收機背景噪音為-107dBm。在熱噪音有限的GPS接收機中，自動增益控制取決於噪音電平，所以如果CNR惡化了3dB就顯示可變增益放大器環節的增益也降低了3dB。接收機5.3MHz頻寬內的背景噪音、IF濾波器的3dB頻寬為5.3MHz (kTB=kT*5.3MHz=-107dBm)以及圖3中的背景噪音值，三者呈現出一致性的情況顯示：系統內干擾已經被充分削弱到低於接收機熱背景噪音。 2. 動態範圍測量 與靈敏度測量不同，在動態範圍測量中，接收機輸入端的訊號電平和背景噪音均會產生變化，而輸入CNR卻應保持不變。圖2b所提供的就是這樣一種情況。圖中GPS接收機和天線之間放置了一個低噪音放大器(LNA)。基於主動天線的應用中，或者在天線離GPS接收機較遠的情況下，LNA通常置於GPS天線之後。隨著增益總量增大和外部低噪音放大器(LNA)的噪音特性增大，GPS接收機輸入端的合成背景噪音也會增大。要使GPS接收機輸入端的CNR保持恒定，通常需要先行校正測量結構以免測量結構引起噪音特性增大。 在系統中增加一個外部LNA可以立即降低對GPS接收機系統內隔離度(隔離1、隔離2和隔離3)的要求。然而，如果天線處沒有直接連接一個預選濾波器，那麼外部LNA造成的RF前端超額增益會降低接收機的線性度，並增大功耗。而預選濾波器的插入損耗會造成噪音特性增大。因此，要獲得良好的靈敏度和線性度特性，就必須同時使系統內實現高隔離度，射頻前端具備低增益低噪音特性，並且令類比數位轉換器的CNR衰減最小。u-blox的TIM-LP GPS接收機就具備了所有這些特性，不但能夠滿足對單獨的GPS接收機的靈敏度和線性度要求，而且能滿足對整合在無線應用中的GPS接收機的靈敏度和線性度要求。 圖4提供了TIM-LP GPS接收機的動態範圍測量結果。其中，CNR對最小噪音電平進行了歸一化，即在最小輸入噪音電平處(點A處)。在高階(點B處)，CNR衰減1dB時的最大輸入背景噪音約為-59dBm。CNR的下降量由接收機前端的飽和度和類比數位轉換器對CNR的衰減量的增大程度決定。在低階，根據公式(1)定義，被測CNR只是接收機噪音特性和溫度的函數。為了滿足對靈敏度和線性度的要求，必須當： Pn=kT+10log(BW)時，dCNR/dPn=0。 即假設溫度和GPS訊號電平均保持恒定，那麼輸入背景噪音應等於最小輸入噪音電平。dCNR/dPn表示CNR對輸入背景噪音的一階導數。在1.5比特的量化中，條件dCNR/dPn是由VinVth和Vin-Vth出現的概率為54決定的，其中，Vin和Vth分別為類比數位轉換器的輸入電壓和閾值電壓。動態範圍的測量結果說明，在接收機輸入噪音位於最小背景噪音點(即點A處)時，CNR的值(在噪音電平約為-98dBm時測得的CNR)只降低了不到0.5dB。 只要實現了較好的系統內隔離，那麼高靈敏度和高線性度的GPS接收機是可以實現的。利用u-blox公司的TIM-LP GPS接收機，可以在最小輸入噪音電平處將CNR衰減控制得很低，因而可以直接將被動天線和GPS接收機連接起來，同時實現低功耗和高線性度。 3. 干擾測量 圖5提供了存在頻帶內CW干擾時對CNR衰減的模擬結果和實測結果。為了對無噪接收機上加CW干擾時的模擬結果和實測數據進行比較，我們將被測GPS接收機自身對噪音特性的影響從CW干擾功率電平中去除。得到的模擬結果和實測結果吻合得相當完好。該模擬是在一個具有閉環自動增益控制電路的完整的GPS接收機中進行的。 本文小結 本文證明了GPS接收機中，提高系統內隔離度以同時獲取高靈敏度和高線性度，這一點對直接整合被動天線來說非常重要。透過細心設計屏蔽、接地和去耦結構可以最佳化系統內的隔離度，因而降低對射頻前端增益的要求，並提高GPS接收機的線性度特性，而無需犧牲噪音性能。u-blox公司的TIM-LP GPS接收機已經成功地滿足了單獨的GPS應用和整合在無線應用中的GPS接收機對靈敏度和線性度的要求。欲了解更多情況，請與U-Blox亞太地區總經理聯繫，電子郵件：peter.wangu-blox.com。 參考文獻 1 S. J. Spiegel, GPS-RF system requirements for handset applications, 2002 IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Workshop, June 2002. 2 S. J. Spiegel, A. Thiel, S. Nussbaumer, and I. Kovacs, Characterization of GPS receivers for mobile systems, 2002 Proceedings of the Institute of Navigation, September 2002. 3 S. J. Spiegel, A. Thiel, S. Nussbaumer, I. Kovacs and M. Durler, Improving the isolation of GPS receivers for integration with wireless communication systems, 2003 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits (RFIC) Symposium, June 2003. 作者簡介 Solon J. Spiegel是瑞士u-blox公司的首席射頻系統工程師。他的專業研究領域包括無線電結構、無線收發機、通訊標準、無線功放的增效和線性化方法、射頻和微波積體電路以及半導體設備和RF MEM技術。他是IEEE的資深會員。 Andreas Thiel是u-blox公司硬體R&D的首席設計師，