芯耀
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從20世紀60年代開始，以全球定位系統(tǒng)為代表的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)應用產(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 全體系的設備制造成本以及應用成本大幅度降低，這使得 GNSS 設備的應用變得更加普遍，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??
全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)是在地球表面或近地空間的任何地點，能全天候地為用戶提供三維坐標、速度以及時間信息的無線電導航定位系統(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系統(tǒng)。目前全球有四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)，包括中國的北斗衛(wèi)星導航系統(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)星導航系統(tǒng)（Galileo Navigation Satellite System, Galileo）和俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Orbiting Navigation Satellite System, GLONASS）。
整個衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間星座部分、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶設備部分組成。圖1為BeiDou、GPS、Galileo、GLONASS之間的對比。為了更加充分地應用GNSS定位的優(yōu)勢，越來越多的研究機構與公司都在研究GNSS接收機。在GNSS接收機中，射頻前端起著至關重要的作用，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接收機系統(tǒng)為例，詳細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的應用
低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）一般用作各類無線電接收機的前置放大器，以及高靈敏度電子探測設備的放大電路。它的主要工作是對系統(tǒng)接收到的微弱信號進行放大。在GPS應用中，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接收機系統(tǒng)總噪聲系數(shù)起決定性作用。
同時GPS接收機靈敏度取決于系統(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)，還可以提高接收機的靈敏度。除了關注LNA芯片的噪聲系數(shù)、線性度等指標外，對系統(tǒng)設計者而言，GPS系統(tǒng)的關鍵設計指標還包括了靈敏度（Sensitivity）和首次定位時間（Time To First Fix，TTFF）等。
▼圖2：?GPS接收模塊?▼
-03-?|?低噪聲放大器關鍵技術指標
芯片的技術指標
射頻前端接收機芯片主要是對接收到的微弱信號進行放大、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，影響信號質量。除此之外，電路本身的非線性效應會導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。當信號經(jīng)過器件時，受噪聲影響導致質量下降。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。
接收機靈敏度是在滿足輸出信噪比的條件下，接收機所能檢測的最小輸入信號電平。它與輸出信噪比及接收機本身的噪聲大小相關，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)中影響接收機靈敏度的關鍵因子是噪聲系數(shù)。
從應用的角度講，噪聲系數(shù)對通信系統(tǒng)性能至關重要。如果噪聲系數(shù)不夠好，會導致接收靈敏度惡化，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
在設計LNA時，在不引入更多噪聲的前提下實現(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準。當輸入信號較小時，其輸入輸出呈線性關系，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時所對應的輸入信號功率定義為1dB增益壓縮點，如圖4所示。
▼圖4：1dB壓縮點示意圖?▼
當手機中的GSM打開時，GPS前端收到的信號強度最高可達-9dBm，如圖5所示。如果干擾信號過強以至接近芯片的P1dB時，放大器增益下降，噪聲系數(shù)上升，系統(tǒng)性能下降，嚴重影響用戶使用，因此LNA的1dB增益壓縮點越大越好。
▼圖5：GPS前端接受信號示意圖?▼
當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準。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曲線外插交點所對應的輸入功率（或者：線性Pout-Pin曲線與非線性Pout（2f2-f1）-Pin曲線外插交點所對應的輸入功率）；可知當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，當IP3點對應到輸入功率時，稱之為IIP3，對應到輸出功率時，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的接收信號遠遠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IIP3指標越高時，落在GPS帶內(nèi)的干擾項越弱，抗干擾能力越強，線性度越好，能夠極大提升用戶的使用體驗。
▼圖7：GPS前端接收信號示意圖?▼
IIP3和1dB壓縮點均可用來衡量電路的線性度，且兩種方式是等價的。當一種量已知時，另一個量的大致范圍可估算得出。
如圖8所示，下圖不僅標明了P1dB的位置，同時也標明了IIP3處于比1dB壓縮點高的輸入功率處。
▼圖8：?LNA線性度參數(shù)圖?▼
- 系統(tǒng)的技術指標
隨著GPS應用范圍的不斷擴展，對GPS接收機的系統(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接收機在室內(nèi)或其它衛(wèi)星信號較弱的場景下仍然能夠實現(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)路抖動能夠進一步縮小噪聲范圍的測量，從而實現(xiàn)更精確的定位。
- 靈敏度
GNSS設備接收這種低強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，將進行“滿天搜索”，捕獲衛(wèi)星信號，捕獲靈敏度是GPS接收機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信號能夠導航的最低信號強度（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設備的TTFF與其啟動條件有關，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：接收機不依靠存儲的上次定位信息，而進行“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：接收機利用存儲的衛(wèi)星星歷和上次定位信號進行快速捕獲衛(wèi)星信號完成定位。熱啟動要求接收機當前位置距離上次定位不能過遠，而且星歷應處于有效期內(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頻段對應典型應用圖?▼
▼圖10：GPS L1頻段對應典型應用圖▼
