最近中国成功发射了第三颗“北斗一号”导航定位卫星，它预示着中国GPS应用的高潮即将来临。本文向(中国)GPS设计工程师介绍在将GPS模块嵌入到其它无线通信系统过程中，如何将无源天线与GPS芯片组紧密结合起来，并达到噪声极低、灵敏度极高、线性度极佳和成本最低的设计策略。

本文分析了直接将无源天线集成至GPS系统对系统性能的影响问题。由于我们所讨论的系统采用了低增益低噪声的射频前端，系统间干扰较低，而且优化了模数转换器的装载方式，所以可以实现系统中GPS射频部分和高灵敏无源天线之间的连接。同时，耦合结构的精心设计又降低了接收机内的干扰。因而，得到的GPS接收机能够应用于移动无线通信频率范围，并具备高灵敏度和优化的抗干扰性能。本文给出了接收机动态范围、灵敏度和干扰情况的试验结果和仿真结果。由于系统内部隔离度较好，所以包括射频和数字基带部分在内，载噪比(carrier-to-noise ratio)总衰减低于5dB。

问题的提出

将GPS集成到便携式移动设备中可以提供覆盖面积更广的定位服务。最近已有人提出并实现了基于定位技术的网络，然而这类基于网络的定位方法准确度依赖于基站的数目、基站与移动用户的几何位置，以及多径效应。混合定位方法则将具备定位能力的GPS和蜂窝通信系统结合起来，不论在农村或城市均能提供覆盖面积很广的定位能力。

将GPS集成到无线移动通信应用中时，所需成本、占位面积和功耗会严重束缚GPS接收机的设计，这一点与独立式GPS一样会降低载噪比。为了满足要求，必须采用高线性度、低噪声和低功耗的GPS接收机。而且，如果接收机的各个电路区域之间以及各电路和天线结构之间隔离不足，均会引发系统内干扰(或称内部噪声)和系统间干扰(也称外部噪声)，从而造成GPS性能下降。本文描述了GPS接收机中，由系统间或系统内隔离不足造成的载噪比下降，以及下降机制，还描述了单独的GPS接收机特性和带无源天线的GPS接收机集成到无线应用中之后得到的性能结果。表1给出了由于系统间和系统内隔离不足所造成的耦合路径以及载噪比降低机制。

图1给出了GPS接收机的组成框图。图中还指出了系统间隔离和系统内隔离，也就是图1中的隔离1到隔离3，每一个隔离均对系统内隔离度有影响。根据系统间隔离度提出的接收机的前端设计和区分规则，与根据系统内隔离度所提出的要求是相矛盾的。通过在接收机外加一个高增益低噪声放大器(如图1b所示)可以降低GPS接收机的系统内隔离度要求。而当系统间隔离度有限时，为满足线性度要求，通常需要采用增益低于15dB的低增益低噪声放大器 [1,2]，但前提是不牺牲灵敏度特性和功耗特性。图1a给出了无线移动设备可采用的集成方案。系统集成度过于密集会影响天线之间的隔离度，因此要求系统内具有较高的隔离度，从而导致系统尺寸增大，成本增加，屏蔽、接地和去耦结构的设计复杂度也增大。单片GPS方案和密集封装的GPS方案均会受有限系统内隔离度的影响。

我们已经开发出一套完整的GPS接收机方案，其核心功能包括低增益低噪声放大器、RF处理器和数字基带处理器。通过降低系统内干扰和电路的数字部分产生的辐射能量，我们能够将GPS天线和GPS芯片组紧密集成起来，而且无需牺牲接收机的线性度特性和灵敏度特性。

GPS模块设计

在集成GPS芯片组时必须保证能够在一个更小的空间内实现较低的系统内干扰。因此，必须对接地、屏蔽和去耦结构进行仔细设计才能使PCB所占面积最小，并同时满足由接收机输入热背景噪声所定义的对系统内隔离度的要求。系统内干扰落在接收机通带内的成分必须远低于接收机的热背景噪声。参考文献[3]中对GPS接收机的设计方法论有详细描述。

图2a所示为一幅GPS接收机模块的照片，该模块的尺寸为25.4毫米 x 25.4毫米 x 3毫米。该模块必须采用图中所示的两个单独的屏蔽结构，以降低数字噪声和模拟噪声的耦合。而且天线被连接在模拟和数字平面的反面，以改善系统的隔离度(参看文献[3])。图2b中所示为直接将天线和GPS模块集成后的照片。只有仔细设计接地和屏蔽结构才能实现无源天线的直接集成，因为天线是直接安装在GPS模块的背面的。减小接地平面的面积会增加天线的背面辐射。

GPS特性测量

测量载噪比(CNR)是一种较好的验证GPS射频处理器性能的方法。在CNR测量中，系统级测量法比模拟测量更易实现，它是基于频率测量和定时测量的一种测量方法，可直接反映被测系统的性能。本节所讨论的GPS特性测量结果均基于CNR测量。

GPS性能通常用灵敏度、动态范围和干扰测量来评定。通过灵敏度测量，可以确定系统的整体噪声特性(即接收机RF部分和基带部分的总噪声衰减量)，接收机的背景噪声和能进行GPS跟踪所需的最小信号电平。动态范围指标定义了自动增益控制电路的工作范围和模数转换器的工作点。最后，干扰测量可以描述带内CW(连续)阻塞信号对CNR的影响。

1. 灵敏度测量

在灵敏度测量中，GPS应用信号的电平不断变化，而接收机输入端的背景噪声则保持不变。因而输入的CNR与GPS信号强度成正比关系。接收机的整体噪声特性可表示为：

NF=CNR_in-CNR_out=(P_GPS-kT)-CNR (1)

其中表示GPS信号电平，k是波尔兹曼常数，T表示温度，CNR是被测的载噪比。在(1)中，括号中的一项代表输入CNR，最后一项则代表输出CNR。

图3给出了被测CNR与图2a中u-blox TIM-LP GPS模块的输入GPS信号电平之间的关系。在8ms积分时间内得到跟踪模式所要求的最小信号强度为-142dBm(见图中点A)。在系统的线性范围内(以图中点B为例)，由公式(1)可得噪声特性为5dB。系统仿真结果显示，这种层叠噪声特性对整个CNR恶化的影响为2.5dB，而1.5位的模数转换过程对CNR的影响为1.1dB。如果令输入信号强度等于接收机背景噪声，会发现CNR恶化3dB。在图中C点处得到接收机背景噪声为-107dBm。在热噪声有限的GPS接收机中，自动增益控制取决于噪声电平，所以如果CNR恶化了3dB就表明可变增益放大器环节的增益也降低了3dB。接收机5.3MHz带宽内的背景噪声、IF滤波器的3dB带宽为5.3MHz (kTB=kT*5.3MHz=-107dBm)以及图3中的背景噪声值，三者呈现出一致性的情况表明：系统内干扰已经被充分削弱到低于接收机热背景噪声。

2. 动态范围测量

与灵敏度测量不同，在动态范围测量中，接收机输入端的信号电平和背景噪声均会发生变化，而输入CNR却应保持不变。图2b所给出的就是这样一种情况。图中GPS接收机和天线之间放置了一个低噪声放大器(LNA)。基于有源天线的应用中，或者在天线离GPS接收机较远的情况下，LNA通常置于GPS天线之后。随着增益总量增大和外部低噪声放大器(LNA)的噪声特性增大，GPS接收机输入端的合成背景噪声也会增大。要使GPS接收机输入端的CNR保持恒定，通常需要先行校正测量结构以免测量结构引起噪声特性增大。

在系统中增加一个外部LNA可以立即降低对GPS接收机系统内隔离度(隔离1、隔离2和隔离3)的要求。然而，如果天线处没有直接连接一个预选滤波器，那么外部LNA造成的RF前端超额增益会降低接收机的线性度，并增大功耗。而预选滤波器的插入损耗会造成噪声特性增大。因此，要获得良好的灵敏度和线性度特性，就必须同时使系统内实现高隔离度，射频前端具备低增益低噪声特性，并且令模数转换器的CNR衰减最小。u-blox 的TIM-LP GPS接收机就具备了所有这些特性，不但能够满足对单独的GPS接收机的灵敏度和线性度要求，而且能满足对集成在无线应用中的GPS接收机的灵敏度和线性度要求。

图4给出了 TIM-LP GPS接收机的动态范围测量结果。其中，CNR对最小噪声电平进行了归一化，即在最小输入噪声电平处(点A处)。在高端(点B处)，CNR衰减1dB时的最大输入背景噪声约为-59dBm。CNR的下降量由接收机前端的饱和度和模数转换器对CNR的衰减量的增大程度决定。在低端，根据公式(1)定义，被测CNR只是接收机噪声特性和温度的函数。为了满足对灵敏度和线性度的要求，必须当:

P_n=kT+10log(BW)时，dCNR/dPn=0。

即假设温度和GPS信号电平均保持恒定，那么输入背景噪声应等于最小输入噪声电平。dCNR/dPn表示CNR对输入背景噪声的一阶导数。在1.5比特的量化中，条件dCNR/dPn是由V_in>V_th和V_in<-V_th出现的概率为54％决定的，其中，V_in和V_th分别为模数转换器的输入电压和阈值电压。动态范围的测量结果说明，在接收机输入噪声位于最小背景噪声点(即点A处)时，CNR的值(在噪声电平约为-98dBm时测得的CNR)只降低了不到0.5dB。

只要实现了较好的系统内隔离，那么高灵敏度和高线性度的GPS接收机是可以实现的。利用u-blox公司的 TIM-LP GPS接收机，可以在最小输入噪声电平处将CNR衰减控制得很低，从而可以直接将无源天线和GPS接收机连接起来，同时实现低功耗和高线性度。

3. 干扰测量

图5给出了存在带内CW干扰时对CNR衰减的仿真结果和实测结果。为了对无噪接收机上加CW干扰时的仿真结果和实测数据进行比较，我们将被测GPS接收机自身对噪声特性的影响从CW干扰功率电平中去除。得到的仿真结果和实测结果吻合得相当完好。该仿真是在一个带有闭环自动增益控制电路的完整的GPS接收机中进行的。

本文小结

本文证明了GPS接收机中，提高系统内隔离度以同时获取高灵敏度和高线性度，这一点对直接集成无源天线至关重要。通过细心设计屏蔽、接地和去耦结构可以优化系统内的隔离度，从而降低对射频前端增益的要求，并提高GPS接收机的线性度特性，而无需牺牲噪声性能。u-blox公司的TIM-LP GPS接收机已经成功地满足了单独的GPS应用和集成到无线应用中的GPS接收机对灵敏度和线性度的要求。欲了解更多情况，请与U-Blox亚太地区总经理联系，电子邮件：peter.wang@u-blox.com。

参考文献

[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.

作者简介

Solon J. Spiegel是瑞士u-blox公司的首席射频系统工程师。他的专业研究领域包括无线电结构、无线收发机、通信标准、无线功放的增效和线性化方法、射频和微波集成电路以及半导体设备和RF MEM技术。他是IEEE的资深会员。

Andreas Thiel是u-blox公司硬件R&D的首席设计师，同时也是u-blox公司的创建者之一。他在Aachen技术大学获得电子工程理学硕士学位。Thiel先生在创建u-blox公司之前，Thiel先生曾在苏黎世ETH任研究助理，1997年又曾在MCM研究小组工作，他是IEEE和ION的成员。

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