GPS接收機(jī)的靈敏度分析
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時(shí)間：2013-11-01
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隨著GPS 應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，業(yè)界對(duì)GPS 接收機(jī)的靈敏度要求也越來(lái)越高，高靈敏度的接收性能可以令接收機(jī)在室內(nèi)或其它衛(wèi)星信號(hào)較弱的場(chǎng)景下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)定位和跟蹤，大大拓展了GPS 的使用范圍。
作為GPS 接收機(jī)最為重要的性能指標(biāo)之一，高靈敏度一直是各個(gè)GPS 接收模塊孜孜以求的目標(biāo)。對(duì)于GPS 接收系統(tǒng)而言，靈敏度指標(biāo)包括多個(gè)場(chǎng)景下的指標(biāo)，分別為：跟蹤靈敏度、捕獲靈敏度、初始啟動(dòng)靈敏度。目前業(yè)界已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)跟蹤靈敏度在-160dBm 以下的接收機(jī)，同時(shí)，初始啟動(dòng)的靈敏度和捕獲靈敏度也分別可以達(dá)到-142dBm 和-148dBm 以下。GPS 接收機(jī)首先需要完成對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲，完成捕獲所需要的最低信號(hào)強(qiáng)度為捕獲靈敏度；在捕獲之后能夠維持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)跟蹤所需要的最低信號(hào)強(qiáng)度為跟蹤靈敏度。為了實(shí)現(xiàn)定位，GPS 接收機(jī)還需要解調(diào)GPS 衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，相應(yīng)的，解調(diào)導(dǎo)航電文所需要的最低信號(hào)強(qiáng)度為初始啟動(dòng)靈敏度。根據(jù)上述定義可知，跟蹤靈敏度最高，捕獲靈敏度次之，初始啟動(dòng)靈敏度最差。
2 GPS 接收模塊的靈敏度性能分析
從系統(tǒng)級(jí)的觀點(diǎn)來(lái)看，GPS 接收機(jī)的靈敏度主要由兩個(gè)方面決定：一是接收機(jī)前端整個(gè)信號(hào)通路的增益及噪聲性能，二是基帶部分的算法性能。其中，接收機(jī)前端決定了接收信號(hào)到達(dá)基帶部分時(shí)的信噪比，而基帶算法則決定了解調(diào)、捕獲、跟蹤過(guò)程所能容忍的最小信噪比。
2.1 接收機(jī)前端電路性能對(duì)靈敏度的影響
GPS 信號(hào)是從距地面20000km 的LEO（Low Earth Orbit，低軌道衛(wèi)星）衛(wèi)星上發(fā)送到地面上來(lái)的，其L1 頻段（fL1=1575.42MHz）自由空間衰減為：
Power，有效通量密度）為P=478.63W（26.8dBw）([1][2])，若大氣層衰減為A=2.0dB，則
GPS 系統(tǒng)L1 頻段C/A 碼信號(hào)到達(dá)地面的強(qiáng)度為：
L1 頻段C/A 碼信號(hào)強(qiáng)度最小值為-160dBw，和上述結(jié)果一致。在實(shí)際場(chǎng)景中，由于衛(wèi)星仰角的不同、以及受樹(shù)木、建筑物等的遮擋，L1 頻段C/A 信號(hào)到達(dá)地面的強(qiáng)度可能會(huì)低于-160dBw。
一般GPS 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖 1 GPS 接收模塊的一般結(jié)構(gòu)
上圖中，天線(xiàn)后直接接濾波器進(jìn)行前置濾波，其作用在于防止寬帶干擾阻塞低噪放，但會(huì)增大前級(jí)的噪聲系數(shù)，因此在選用器件時(shí)需要考慮采用插損盡量小的濾波器。
天線(xiàn)的有源部分主要是用來(lái)補(bǔ)償從天線(xiàn)到接收模塊之間的電纜損耗，如果天線(xiàn)和接收模塊之間的插損極小，則可以使用無(wú)源天線(xiàn)。
GPS 接收機(jī)前端的特性可以由整個(gè)接收機(jī)的G/T 值來(lái)表征。設(shè)GPS 接收機(jī)的射頻前端可以分為n 級(jí)，第i 級(jí)的增益、噪聲系數(shù)、等效噪聲溫度分別為Gi、NFi、Tei，則GPS 接收機(jī)的總的等效噪聲溫度為：
天線(xiàn)方向圖、擺放位置等都有關(guān)系，一般認(rèn)為GPS 天線(xiàn)噪聲溫度為T(mén)a=100K。
根據(jù)系統(tǒng)的G/T 值即可以得到在一定輸入信號(hào)功率下的接收載噪比：
評(píng)論