芯耀
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從20世紀(jì)60年代開(kāi)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(huì)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(shí)，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(jiǎn)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(shí)間信息的無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包括一個(gè)或多個(gè)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(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System, BDS）、美國(guó)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(gè)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(duì)比。為了更加充分地應(yīng)用GNSS定位的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)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(hào)，并對(duì)信號(hào)濾波、放大、變頻后供給后級(jí)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(wú)線電接收機(jī)的前置放大器，以及高靈敏度電子探測(cè)設(shè)備的放大電路。它的主要工作是對(duì)系統(tǒng)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。在GPS應(yīng)用中，由于從衛(wèi)星接收到的GPS信號(hào)非常微弱（一般會(huì)低于-130dBm），通常需要在天線的附近放置低噪聲放大器將信號(hào)放大。LNA位于射頻前端電路的前級(jí)，如圖2，對(duì)于GPS接收機(jī)系統(tǒng)總噪聲系數(shù)起決定性作用。
同時(shí)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(duì)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(shí)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(duì)接收到的微弱信號(hào)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(hào)。在射頻電路中，存在一些非理想特性，如環(huán)境中的噪聲，會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生干擾，影響信號(hào)質(zhì)量。除此之外，電路本身的非線性效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致無(wú)法避免的干擾信號(hào)產(chǎn)生。因此，作為GPS接收鏈路的第一級(jí)，LNA的噪聲、線性度、增益會(huì)影響整個(gè)電路系統(tǒng)的功能。
- 噪聲系數(shù)
噪聲是一種隨機(jī)信號(hào)，在絕對(duì)零度以上，任何器件都會(huì)產(chǎn)生噪聲。噪聲的主要來(lái)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(hào)經(jīng)過(guò)器件時(shí)，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(gè)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(hào)Sin及輸入噪聲Nin經(jīng)過(guò)放大電路，產(chǎn)生輸出信號(hào)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(cè)的最小輸入信號(hào)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(duì)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(duì)通信系統(tǒng)性能至關(guān)重要。如果噪聲系數(shù)不夠好，會(huì)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(jí)級(jí)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(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度，根據(jù)N級(jí)放大器串聯(lián)的噪聲因子計(jì)算公式可以得出第一級(jí)器件對(duì)于整個(gè)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(duì)整個(gè)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(shí)間。
- 線性度
在設(shè)計(jì)LNA時(shí)，在不引入更多噪聲的前提下實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大尤為重要，在接收大功率信號(hào)時(shí)能夠保持高線性度也十分重要。一般而言，會(huì)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(hào)時(shí)，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(hào)較小時(shí)，其輸入輸出呈線性關(guān)系，但輸入信號(hào)增大到一定程度時(shí)，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(hào)增益下降1dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)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(kāi)時(shí)，GPS前端收到的信號(hào)強(qiáng)度最高可達(dá)-9dBm，如圖5所示。如果干擾信號(hào)過(guò)強(qiáng)以至接近芯片的P1dB時(shí)，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(hào)示意圖?▼
當(dāng)輸入存在帶外雙頻干擾時(shí)，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(huì)出現(xiàn)交調(diào)衍生信號(hào)。由（2f1-f2）與（2f2-f1）組成的三階交調(diào)衍生信號(hào)與基頻信號(hào)頻率相近，會(huì)隨之進(jìn)入電路，使輸出信號(hào)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(duì)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(duì)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(hào)輸出功率相等時(shí)稱之為IP3點(diǎn)，當(dāng)IP3點(diǎn)對(duì)應(yīng)到輸入功率時(shí)，稱之為IIP3，對(duì)應(yīng)到輸出功率時(shí)，稱之為OIP3。
IIP3的測(cè)量可以通過(guò)在輸入端加頻率相隔很小的雙音信號(hào)，在輸出端會(huì)產(chǎn)生所需的輸出信號(hào)和三階交調(diào)失真，如圖6所示。若雙音信號(hào)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(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于帶外的其它干擾信號(hào)，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(hào)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(shí)，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(hào)示意圖?▼
IIP3和1dB壓縮點(diǎn)均可用來(lái)衡量電路的線性度，且兩種方式是等價(jià)的。當(dāng)一種量已知時(shí)，另一個(gè)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(shí)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(duì)GPS接收機(jī)的系統(tǒng)性能要求越來(lái)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(hào)較弱的場(chǎng)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(hào)）功率與噪聲密度之比。從GNSS信號(hào)中提取導(dǎo)航數(shù)據(jù)時(shí)，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(dòng)。減少的載波和代碼跟蹤環(huán)路抖動(dòng)能夠進(jìn)一步縮小噪聲范圍的測(cè)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(hào)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(kāi)GNSS接收機(jī)，將進(jìn)行“滿天搜索”，捕獲衛(wèi)星信號(hào)，捕獲靈敏度是GPS接收機(jī)冷啟動(dòng)后能搜到星的衛(wèi)星信號(hào)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(hào)最低發(fā)射功率。指在捕獲到衛(wèi)星信號(hào)之后，GPS信號(hào)能夠?qū)Ш降淖畹托盘?hào)強(qiáng)度（即衛(wèi)星沒(méi)有跟丟），一般跟蹤靈敏度為-157dBm。
- 首次定位時(shí)間(TTFF)
GPS設(shè)備的TTFF與其啟動(dòng)條件有關(guān)，可以分為三種情況：一是接收器本身完全無(wú)有效衛(wèi)星數(shù)據(jù)的冷啟動(dòng)（Cold Start）；一是接收器具有有效的星歷數(shù)據(jù)、時(shí)間和起始位置，稱為暖啟動(dòng)（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(dòng)（Hot Start）。
1、冷啟動(dòng)：接收機(jī)不依靠存儲(chǔ)的上次定位信息，而進(jìn)行“滿天搜索”。冷啟動(dòng)時(shí)間一般小于45秒；
2、暖啟動(dòng)：介于熱啟動(dòng)和冷啟動(dòng)之間，之前的參考頻率等信息存在但星歷丟失。暖啟動(dòng)時(shí)間一般大于30秒；
3、熱啟動(dòng)：接收機(jī)利用存儲(chǔ)的衛(wèi)星星歷和上次定位信號(hào)進(jìn)行快速捕獲衛(wèi)星信號(hào)完成定位。熱啟動(dòng)要求接收機(jī)當(dāng)前位置距離上次定位不能過(guò)遠(yuǎn)，而且星歷應(yīng)處于有效期內(nèi)。熱啟動(dòng)時(shí)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(jìng)爭(zhēng)力的性能。
▼圖9：GPS L5頻段對(duì)應(yīng)典型應(yīng)用圖?▼
▼圖10：GPS L1頻段對(duì)應(yīng)典型應(yīng)用圖▼
