GPS接收机射频前端电路原理与设计

　　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;Di(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/Ni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：