如何简化GNSS接收机设计

作者：Bonnie Baker

介绍

全球导航卫星系统 （GNSS） 接收器处理卫星信号以计算位置、速度和时间。这些接收器提供了广泛的导航解决方案，从船舶和航空电子设备到车载和静态相机系统。

尽管广泛的应用程序可以使用通用 GNSS 接收器信息，但这些系统都依赖于接收器前端解决方案的功能。接收器的前端必须接收卫星的微弱模拟信号并将其正确调节为有用的数字输出。

本文讨论了典型接收器前端的要求和挑战，并提出了一种集成解决方案，该解决方案可以接收来自四个卫星导航系统而不是一个卫星导航系统的信号，从而将设计从多个接收器设备简化为一个。

全球导航卫星系统 – GNSS

存在几个轨道卫星星座以提供自主地理空间定位。GNSS 接收器提供的任何导航解决方案都基于计算其到四个或更多卫星的距离以及对输入信号的解码。GNSS 接收器提取各个卫星信号并使用它们来计算接收器所在位置的位置、速度和时间。

前端注意事项

RF 前端 IC 的主要功能是放大、下变频、滤波和采样 GNSS 信号，同时尽可能少地添加噪声（图 2）。

图 2. 典型 GNSS 接收器系统

GNSS 接收器前端电路的主要关注领域包括低噪声/高增益/IF（中频）调制、滤波和模数转换。

在 GNSS 接收器的前端有一个有源或无源天线，用于捕获并可能放大非常微弱的卫星信号。也可能有一个 SAW 滤波器来减少干扰信号。射频前端 IC 中信号处理的第一阶段是通过低噪声放大器 （LNA） 进行低噪声放大。

低噪声：低 GNSS 信号强度需要高灵敏度的 LNA 级。在这个阶段，低噪声系数（NF） 是为 GNSS 信号提供高灵敏度的最重要规范。

高增益：在天线处接收到的 GNSS 信号通常约为 -130dBm。在为模数转换做准备时，信号的总放大需要大约为 115dB。在该系统中，增益通过 LNA、IF 滤波器和可编程增益放大器 （PGA）提供。PGA 的增益可以通过自动增益控制 （AGC） 环路进行控制，该环路在 ADC 输入端保持最佳信号电平。

中频 （IF）：前端接收器必须下变频到 10MHz 或可能的直流频率的中频。混频器级完成此下变频并产生同相（I） 和正交 （Q） 信号分量。

滤波：在混频级之后进行滤波的主要目的是在主放大级之前降低噪声带宽和衰减干扰信号。

GNSS 接收器系统周围可能存在干扰信号。这些干扰信号可能是无意的，例如 GSM-1800 蜂窝无线信号，也可能是恶意干扰信号。敌对干扰信号通常被称为干扰器。一种常见的干扰抑制技术是使用 SAW 滤波器。虽然，如果干扰器正好位于 GNSS 信号之上，这将无济于事。

ADC：通常，前端使用 1、2 或 3 位 ADC 来产生数字 I 和 Q 输出信号。如果 ADC 位数增加到超过三，则信噪比 （SNR） 的回报会递减。然而，有时更高分辨率的 ADC 用于提供抗干扰能力。

迈向简单的解决方案

集成前端接收器解决方案必须具有关键的操作和规格，同时能够接收来自主要 GNSS 星座的信号。MAX2769C 将必要的射频前端功能集成到一个芯片中，显着缩短了 GNSS 接收器的开发时间。

有两个 LNA。一个 LNA 具有 0.9dB 的噪声系数和 19dB 的增益，可用于无源天线。另一个 LNA 的噪声系数为 1.5dB，增益略低。第二个 LNA 适用于有源天线（图 3）。当使用高增益 LNA 时，整个接收机的级联噪声系数通常为 1.4dB。

图 3. MAX2769C GNSS 接收器

MAX2769C 可以检测有源天线的存在并自动选择较低增益的 LNA。

小数 N PLL 在 XTAL 频率和 IF 方面提供了灵活性。中频滤波器可以配置为非零中频的复多相滤波器或零中频的低通滤波器。可以针对要接收的信号的带宽选择滤波器带宽。

如果首选使用外部更高分辨率的 ADC，则可以绕过片上 ADC。

MAX2769C可以接收来自GPS、GLONASS、伽利略和北斗卫星系统的L1波段信号。

结论

MAX2769C 的 IF 滤波器可调频率使设计人员不仅可以访问天空中的一个，还可以访问所有四个星座。MAX2769C GNSS 接收器可以灵活地接收来自 GPS、GLONASS、Galileo 和北斗卫星系统的信号，同时提供高水平的集成性能。该设备以简单紧凑的解决方案取代了 PCB 上的多个单独接收器。