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GPS接收机射频前端电路原理及设计.pdf

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GPS 接收机射频前端电路原理与设计 文章来源:电子技术应用 添加时间:2006-6-13 18:12:17 [摘要]在天线单元设计中采用了高频、低噪声放大器,以减弱天线热噪声及前面几级 单元电路对接收机性能的影响;基于超外差式电路结构、镜频抑制和信道选择原理,选用G P2010 芯片实现了射频单元的三级变频方案,并介绍了高稳定度本振荡信号的合成和采样量 化器的工作原理,得到了导航电文相关提取所需要的二进制数字中频卫星信号。 [被屏蔽广告] 关键词:GPS接收机 灵敏度 超外差 锁相环频率合成 利用GPS卫星实现导航定位时,用户接收机的主要任务是提取卫星信号中的伪随机噪声 码和数据码,以进一步解算得到接收机载体的位置、速度和时间(PVT)等导航信息。因此, GPS接收机是至关重要的用户设备。目前实际应用的GPS接收机电路一般由天线单元、射频 单元、通信单元和解算单元等四部分组成,如图 1 所示。本文在分析GPS卫星信号组成的基 础上,给出了射频前端GP2010 的原理及应用。 1 GPS卫星信号的组成 GPS卫星信号采用典型的码分多址(CDMA)调制技术进行合成(如图2所示),其完整信号主要包括载 波、伪随机码和数据码等三种分量。信号载波处于L波段,两载波的中心频率分别记作L1和L2。卫星信号 参考时钟频率f0为10.23MHz,信号载波L1的中心频率为f0的154倍频,即: fL1=154×f0=1575.42MHz (1) 其波长λ1=19.03cm;信号载波L2的中心频率为f0的 120倍频,即: fL2=120×f0=1227.60MHz (2) 其波长λ2=24.42cm。两载波的频率差为347.82MHz,大约是L2的28.3%,这样选择载波频率便于测得 或消除导航信号从GPS卫星传播至接收机时由于电离层效应而引起的传播延迟误差。伪随机噪声码(PRN) 即测距码主要有精测距码(P码)和粗测距码(C/A码)两种。其中P码的码率为10.23MHz、C/A码的码率为 1.023MHz。数据码是GPS卫星以二进制形式发送给用户接收机的导航定位数据,又叫导航电文或D码,它主 要包括卫星历、卫星钟校正、电离层延迟校正、工作状态信息、C/A码转换到捕获P码的信息和全部卫星的 概略星历;总电文由1500位组成,分为5个子帧,每个子帧在6s内发射10个字,每个字30位,共计300 位,因此数据码的波特率为50bps。 数据码和两种伪随机码分别以同相和正交方式调制在L1载波上,而在L2载波上只用P码进行双相调制, 因此L1和L2的完整卫星信号分别为: SL1(t)=AcCi(t)Di(t)sin(ωL1t+φc) (3) +ApPi(t)Di(t)cos(ωL1t+φP1) SL2(t)=BpPi(t)Di(t)cos(ωL2t+φp2) (4) 式中,Ap、Bp、Ac分别为P码和C/A码的振幅;Pi(t)、Ci(t)分别为对应P码和C/A码的伪随机序列码;D i(t)为卫星导航电文数据码;ωL1、ωL2分别为L1和L2载波信号的角频率;φC和φP1、φP2分别为C/A 码和P码对应于载波的起始相位。合成的GPS信号向全球发射,随时随地供接收机解算导航定位信息使用。 2 GPS接收机的灵敏度 GPS接收机对信号的检测质量取决于信噪比,当其为“理想接收机”时,接收机输入端的信噪比Si/N i与其输出端的信噪比So/No 相同。由于实际GPS接收机存在内部噪声,使得(So/No)(Si/Ni);而噪声 越大,输出信噪比越越小,则接收机的性能越差,此时接收机的噪声系数为: F (Si/Ni)/(So/No) (5) 式(5)表明由于内部噪声影响,接收机输出端信噪比相对于输入端信噪比变差的倍数,由式(5), 输入信号额定功率可表示为: Si =NiFo(So/No) (6)
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