1017
從20世紀(jì)60年代開始，以全球定位系統(tǒng)為代表的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)至今已逐漸發(fā)展成熟，如今社會中諸多行業(yè)的正常運(yùn)行已經(jīng)高度依賴于GNSS所提供的全天候高精度高可靠性的定位信息。同時，借助芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，GNSS 全體系的設(shè)備制造成本以及應(yīng)用成本大幅度降低，這使得 GNSS 設(shè)備的應(yīng)用變得更加普遍，已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧?/p>
-01-?? |GNSS簡介??
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)，能全天候地為用戶提供三維坐標(biāo)、速度以及時間信息的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括一個或多個衛(wèi)星星座及其支持特定工作所需的增強(qiáng)系統(tǒng)。目前全球有四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System, BDS）、美國的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo Navigation Satellite System, Galileo）和俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Orbiting Navigation Satellite System, GLONASS）。
整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間星座部分、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶設(shè)備部分組成。圖1為BeiDou、GPS、Galileo、GLONASS之間的對比。為了更加充分地應(yīng)用GNSS定位的優(yōu)勢，越來越多的研究機(jī)構(gòu)與公司都在研究GNSS接收機(jī)。在GNSS接收機(jī)中，射頻前端起著至關(guān)重要的作用，它可以接收微弱的衛(wèi)星信號，并對信號濾波、放大、變頻后供給后級電路使用。下文以GPS接收機(jī)系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹射低噪聲放大器在射頻前端的主要性能參數(shù)。
▼圖1：BeiDou、GPS、Galileo、GLONASS的比較▼
-02-|?低噪聲放大器在GPS的應(yīng)用
低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）一般用作各類無線電接收機(jī)的前置放大器，以及高靈敏度電子探測設(shè)備的放大電路。它的主要工作是對系統(tǒng)接收到的微弱信號進(jìn)行放大。在GPS應(yīng)用中，由于從衛(wèi)星接收到的GPS信號非常微弱（一般會低于-130dBm），通常需要在天線的附近放置低噪聲放大器將信號放大。LNA位于射頻前端電路的前級，如圖2，對于GPS接收機(jī)系統(tǒng)總噪聲系數(shù)起決定性作用。
同時GPS接收機(jī)靈敏度取決于系統(tǒng)的信噪比，噪聲系數(shù)的大小決定了接收機(jī)靈敏度的性能。降低LNA噪聲系數(shù)可以降低電路的總噪聲系數(shù)，還可以提高接收機(jī)的靈敏度。除了關(guān)注LNA芯片的噪聲系數(shù)、線性度等指標(biāo)外，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言，GPS系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)還包括了靈敏度（Sensitivity）和首次定位時間（Time To First Fix，TTFF）等。
▼圖2：?GPS接收模塊?▼
-03-?|?低噪聲放大器關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)
芯片的技術(shù)指標(biāo)
射頻前端接收機(jī)芯片主要是對接收到的微弱信號進(jìn)行放大、降頻及濾波，得到后端電路正常工作需要的信號。在射頻電路中，存在一些非理想特性，如環(huán)境中的噪聲，會對電路產(chǎn)生干擾，影響信號質(zhì)量。除此之外，電路本身的非線性效應(yīng)會導(dǎo)致無法避免的干擾信號產(chǎn)生。因此，作為GPS接收鏈路的第一級，LNA的噪聲、線性度、增益會影響整個電路系統(tǒng)的功能。
- 噪聲系數(shù)
噪聲是一種隨機(jī)信號，在絕對零度以上，任何器件都會產(chǎn)生噪聲。噪聲的主要來源有兩種，一是電路自身產(chǎn)生的，另一種是外界環(huán)境中的噪聲。當(dāng)信號經(jīng)過器件時，受噪聲影響導(dǎo)致質(zhì)量下降。由于系統(tǒng)的單元電路噪聲在很大程度上影響了整個射頻系統(tǒng)的靈敏度，因此噪聲是系統(tǒng)性能參數(shù)的重要指標(biāo)之一。
噪聲因子與噪聲系數(shù)均是衡量射頻系統(tǒng)噪聲性能的參量。在圖3中，輸入信號Sin及輸入噪聲Nin經(jīng)過放大電路，產(chǎn)生輸出信號Sout及輸出噪聲Nout。噪聲因子是輸入信噪比與輸出信噪比的比值：
F=（Sin/Nin）/（Sout/Nout）
▼圖3：放大器噪聲模型▼
噪聲系數(shù)則是噪聲因子的dB值，即NF=10*logF。
接收機(jī)靈敏度是在滿足輸出信噪比的條件下，接收機(jī)所能檢測的最小輸入信號電平。它與輸出信噪比及接收機(jī)本身的噪聲大小相關(guān)，可以表示為：
Pin=-174(dBm/Hz)+NF(dB)+10logBW+(Eb/N0)min(dB)
BW指的是帶寬，Eb/N0是解調(diào)門限。對于確定的射頻系統(tǒng)，BW及Eb/N0都是確定值，因此特定射頻系統(tǒng)中影響接收機(jī)靈敏度的關(guān)鍵因子是噪聲系數(shù)。
從應(yīng)用的角度講，噪聲系數(shù)對通信系統(tǒng)性能至關(guān)重要。如果噪聲系數(shù)不夠好，會導(dǎo)致接收靈敏度惡化，引起誤碼的產(chǎn)生，從而影響數(shù)據(jù)的有效傳輸。N級級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)公式可以表示為：
F=F1+(F2-1)/G1+(F3-1)/G1G2+…+(FN-1)/G1G2…GN-1
一般在接收機(jī)的最前端放置LNA來提高整個系統(tǒng)的靈敏度，根據(jù)N級放大器串聯(lián)的噪聲因子計(jì)算公式可以得出第一級器件對于整個鏈路的NF有比較大的影響，因此位于GPS鏈路前端LNA的噪聲系數(shù)對整個GPS系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。若LNA的噪聲系數(shù)越低，增益越高則系統(tǒng)的噪聲系數(shù)越小，從而得到更高的靈敏度，更短的定位時間。
- 線性度
在設(shè)計(jì)LNA時，在不引入更多噪聲的前提下實(shí)現(xiàn)信號的放大尤為重要，在接收大功率信號時能夠保持高線性度也十分重要。一般而言，會導(dǎo)致器件非線性失真的因素有：帶外單頻干擾、帶外交調(diào)干擾、帶外互調(diào)干擾等。
當(dāng)帶外干擾為單頻信號時，我們主要考慮P1dB作為線性度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)輸入信號較小時，其輸入輸出呈線性關(guān)系，但輸入信號增大到一定程度時，輸出與輸入不再呈線性關(guān)系而是趨于飽和，此現(xiàn)象稱為壓縮。信號增益下降1dB時所對應(yīng)的輸入信號功率定義為1dB增益壓縮點(diǎn)，如圖4所示。
▼圖4：1dB壓縮點(diǎn)示意圖?▼
當(dāng)手機(jī)中的GSM打開時，GPS前端收到的信號強(qiáng)度最高可達(dá)-9dBm，如圖5所示。如果干擾信號過強(qiáng)以至接近芯片的P1dB時，放大器增益下降，噪聲系數(shù)上升，系統(tǒng)性能下降，嚴(yán)重影響用戶使用，因此LNA的1dB增益壓縮點(diǎn)越大越好。
▼圖5：GPS前端接受信號示意圖?▼
當(dāng)輸入存在帶外雙頻干擾時，我們主要考慮IIP3作為線性度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。由于放大器的非線性，在輸出端會出現(xiàn)交調(diào)衍生信號。由（2f1-f2）與（2f2-f1）組成的三階交調(diào)衍生信號與基頻信號頻率相近，會隨之進(jìn)入電路，使輸出信號產(chǎn)生失真。
IP3定義為：線性Pout-Pin曲線與非線性Pout（2f1-f2）-Pin曲線外插交點(diǎn)所對應(yīng)的輸入功率（或者：線性Pout-Pin曲線與非線性Pout（2f2-f1）-Pin曲線外插交點(diǎn)所對應(yīng)的輸入功率）；可知當(dāng)Pout-Pin=Pout（2f1-f2）-Pin，可得Pout= Pout（2f1-f2），即線性輸出基波功率與非線性三階交調(diào)信號輸出功率相等時稱之為IP3點(diǎn)，當(dāng)IP3點(diǎn)對應(yīng)到輸入功率時，稱之為IIP3，對應(yīng)到輸出功率時，稱之為OIP3。
IIP3的測量可以通過在輸入端加頻率相隔很小的雙音信號，在輸出端會產(chǎn)生所需的輸出信號和三階交調(diào)失真，如圖6所示。若雙音信號的功率為Pin，輸出的基波與三階交調(diào)分量功率之差為P，則電路的IIP3約為：
IIP3=Pin+P/2
▼?圖6：三階交調(diào)示意圖?▼
GPS的接收信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于帶外的其它干擾信號，如果（2f1-f2）與（2f2-f1）頻率處出現(xiàn)的干擾項(xiàng)正好位于GPS信號的頻率所在范圍，則系統(tǒng)性能下降，如圖7所示。
當(dāng)IIP3指標(biāo)越高時，落在GPS帶內(nèi)的干擾項(xiàng)越弱，抗干擾能力越強(qiáng)，線性度越好，能夠極大提升用戶的使用體驗(yàn)。
▼圖7：GPS前端接收信號示意圖?▼
IIP3和1dB壓縮點(diǎn)均可用來衡量電路的線性度，且兩種方式是等價的。當(dāng)一種量已知時，另一個量的大致范圍可估算得出。
如圖8所示，下圖不僅標(biāo)明了P1dB的位置，同時也標(biāo)明了IIP3處于比1dB壓縮點(diǎn)高的輸入功率處。
▼圖8：?LNA線性度參數(shù)圖?▼
- 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)
隨著GPS應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，對GPS接收機(jī)的系統(tǒng)性能要求越來越高。高靈敏度和低TTFF的接收性能可以令GPS接收機(jī)在室內(nèi)或其它衛(wèi)星信號較弱的場景下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)定位和跟蹤，極大地拓寬了GPS的使用范圍。
- 載波噪聲功率譜密度比
載波噪聲功率譜密度比（Carrier to Noise Power Spectrum Density Ratio，C/N）是接收到的載波（即信號）功率與噪聲密度之比。從GNSS信號中提取導(dǎo)航數(shù)據(jù)時，較高的C / N0值可以降低誤碼率，減少載波和代碼跟蹤環(huán)路的抖動。減少的載波和代碼跟蹤環(huán)路抖動能夠進(jìn)一步縮小噪聲范圍的測量，從而實(shí)現(xiàn)更精確的定位。
- 靈敏度
GNSS設(shè)備接收這種低強(qiáng)度信號并最終為用戶提供有用信息的能力被稱為接收靈敏度。接收靈敏度一般包括捕獲靈敏度和跟蹤靈敏度。
捕獲靈敏度：
打開GNSS接收機(jī)，將進(jìn)行“滿天搜索”，捕獲衛(wèi)星信號，捕獲靈敏度是GPS接收機(jī)冷啟動后能搜到星的衛(wèi)星信號最低發(fā)射功率，一般捕獲靈敏度大約為-147dBm。
跟蹤靈敏度：
GPS接收機(jī)搜到星后，能定位的衛(wèi)星信號最低發(fā)射功率。指在捕獲到衛(wèi)星信號之后，GPS信號能夠?qū)Ш降淖畹托盘枏?qiáng)度（即衛(wèi)星沒有跟丟），一般跟蹤靈敏度為-157dBm。
- 首次定位時間(TTFF)
GPS設(shè)備的TTFF與其啟動條件有關(guān)，可以分為三種情況：一是接收器本身完全無有效衛(wèi)星數(shù)據(jù)的冷啟動（Cold Start）；一是接收器具有有效的星歷數(shù)據(jù)、時間和起始位置，稱為暖啟動（Warm Start）；如果再具有更準(zhǔn)確的廣播星歷數(shù)據(jù)，則稱為熱啟動（Hot Start）。
1、冷啟動：接收機(jī)不依靠存儲的上次定位信息，而進(jìn)行“滿天搜索”。冷啟動時間一般小于45秒；
2、暖啟動：介于熱啟動和冷啟動之間，之前的參考頻率等信息存在但星歷丟失。暖啟動時間一般大于30秒；
3、熱啟動：接收機(jī)利用存儲的衛(wèi)星星歷和上次定位信號進(jìn)行快速捕獲衛(wèi)星信號完成定位。熱啟動要求接收機(jī)當(dāng)前位置距離上次定位不能過遠(yuǎn)，而且星歷應(yīng)處于有效期內(nèi)。熱啟動時間一般小于6秒。
-04-?|?awinic?GNSS LNA系列?
上海艾為電子技術(shù)有限公司推出的GNSS LNA系列產(chǎn)品與傳統(tǒng)方案相比，具備低噪聲系數(shù)、高線性度等更具競爭力的性能。
▼圖9：GPS L5頻段對應(yīng)典型應(yīng)用圖?▼
▼圖10：GPS L1頻段對應(yīng)典型應(yīng)用圖▼
