提高GPS系统接收灵敏度的关键是前置低噪声放大器

来源:电子系统设计发布时间:2019-09-16241浏览

实际上，车载GPS导航系统近几年来已经成为美国、欧洲和日本市场上中高端汽车的标准配备。GPS售后市场同样火爆，因为车载娱乐信息系统，如具备大屏幕液晶显示器的DVD影院将很有可能带有GPS功能。

中国现在是备受关注的最重要的新兴市场之一。2005年底，中国配备GPS的汽车不到10万辆，市场渗透率不及2%，远远低于成熟市场的渗透率。预计从2006年至2009年，中国的GPS市场每年将以至少50%的增长率迅速发展。到2009年，GPS产品总销售额将为大约100亿元人民币。这就是GPS成为RF领域成长最快速的市场的原因所在。

此外，对GPS接收器灵敏度的严格要求(特别在高楼大厦林立的城市地区)也推动了外部低噪放大器(LNA)应用市场的发展。英飞凌科技公司(Infineon Technologies)的BGA615L7是为数不多的、即使在弱信号条件下也能提高接收器灵敏度并兼具优异RF性能的GPS LNA之一。

在电气特征方面，BGA615L7具有18dB的系统增益，系统噪声系数低至0.9dB。它的RF输出在内部进行了50欧姆的匹配，更重要的是，它可以承受基于人体模型的1kV静电放电(ESD)。本文将讨论利用BGA615L7来提高GPS RF系统性能。

GPS系统已得到广泛使用，但GPS应用目前还面临一些技术挑战。GPS信号的强弱取决于信号带宽和噪声基底。但无线环境非常复杂，一方面，GPS噪声基底约为111dBm/MHz且必须被防护，另一方面，来自导航卫星的弱信号易受到树叶、多通道干扰以及天气状况的影响，而且在室内还会被进一步削弱，因此单芯片GPS接收器在如此苛刻条件下，若没有外部LNA几乎无法工作。图1给出了GPS接收机系统的总体框图。

图1： GPS接收机系统的总体框图。

为提高GPS接收器的灵敏度，可以将单片微波集成电路(MMIC)或射频(RF)晶体管用作GPS接收器中的LNA。性能良好的RF晶体管具有非常低的噪声系数和非常高的增益，但为获得最佳RF性能，需要进行非常复杂的RF设计。

MMIC LNA的工作原理与RF晶体管相似，但它采用不同的RF设计方法。与RF晶体管LNA相比，MMIC LNA易于使用且RF设计复杂度低，外部器件数量少，能节省PCB空间并且缩短产品开发周期，因此现在MMIC以RF LNA形式广泛用于许多无线应用。

BGA615L7是一种专门为GPS设计的硅锗(SiGe)LNA MMIC，采用了英飞凌的B7HF技术。BGA615L7能经受基于人体模型的1kV静电放电，增益高达18dB，噪声系数低至0.9dB，输入三阶截止点(IIP3)在1.575GHz处为-1dBm。此外，BGA615L7还具有预匹配输入、预匹配输出和片上关断功能，而待机电流低至3uA。BGA617L7采用小型P-TSLP-7-1无铅封装，非常适用于便携式设备和PCB空间受限的设备，如手机、PDA和GPS模块。(以上数据的测试条件为TA=25℃，Vcc=2.8V，频率=1575MHz)

1. 低噪声系数和高增益特性

噪声会给通信系统带来不利的影响，它会大大降低通信接收系统的灵敏度。噪声系数是衡量器件的噪声功率增加总量的一个测量指标。一阶LNA是整个接收器链的系统噪声系数的主要来源，这意味着噪声系数越小，接收器的噪声基底就越低，接收器的灵敏度就可以更高。

因此，噪声系数低的MMIC LNA有助于大大提高整个GPS接收器的灵敏度。英飞凌的BGA615L7的噪声系数低至0.9dB，它是世界上采用硅锗(SiGe)技术、拥有最低噪声系数的MMIC之一。此外，BGA615L7还具有高达18dB的系统增益。在一些设计中在采用BGA615L7以后，就不再需要二阶LNA。如此高的增益性能可以帮助客户降低系统总成本。

2. 高线性LNA

非线性LNA会产生很高的谐波失真，这些谐波产物会落在接收频段，从而降低GPS接收器的RF灵敏度。描述LNA的线性特性有三个主要参数：输入三阶截止点(IIP3)、输出三阶截止点(OIP3)和输出1dB压缩点(OP1dB)。BGA615L7的IIP3高达-1dBm，OIP3可以达到+17dBm，OP1dB为+7dBm，这使得该芯片成为最适用于GPS应用的LNA之一。

3. 合理的带外抑制

在GPS天线和LNA之间放置一个带通声表面波(SAW)滤波器(如图1所示)，可抑制所有不想要的信号。如果没有带通SAW滤波器，天线接收到的所有信号都将馈送到GPS LNA中，从而产生杂散信号并显著降低接收器的接收灵敏度、LNA线性度等性能。例如，如果将一个不带SAW滤波器的GPS接收器设计到手机系统中，手机功率放大器发出的强大GSM信号会大大降低GPS接收器的灵敏度和线性度。在具有WLAN和GPS功能的PDA上也会发生同样问题。

因此，为确保处理器只处理想要的信号，用带通SAW滤波器阻隔带外信号进入GPS接收器非常重要。BGA615L7具有带外抑制功能，可有效地阻隔一部分不想要的信号(图2)。当它与拒波滤波器一起使用时，能有效地避免任何不想要的信号进入GPS接收器，从而提高RF的选择性。

图2：BGA615L7具有带外抑制功能，可有效地阻隔一部分不想要的信号。

4. 低功耗

对任何采用电池供电的设备而言，如何省电是一个关键问题。低功耗意味着工作时间更长。为实现这个目的，产品设计工程师可以采用更强大的电池，也可以降低系统功耗预算。当然，如果不考虑设计成本，同时采用这两种方法是再好不过的，但这往往不现实。

BGA615L7集成了导通/关闭功能，可以降低接收器的电流消耗。在“关闭”状态下，BGA615L7只需要3uA待机电流，在“导通”状态下，总电流消耗仅为5.6mA。

5. 产品的可靠性

人们非常希望GPS设备具有很高的可靠性，特别对便携式GPS系统而言。BGA615L7的工作电压为2.4V~3.2V。在这个电压变化范围内，BGA615L7的RF性能仍保持高水平，电流消耗仅在5.5mA和5.7mA之间稍稍变动(图3)，因此设计工程师完全不用担心在低电池电量条件下LNA性能会下降。BGA615L7的工作温度范围为-30℃~+85℃，它可以在苛刻的环境(如在北极和撒哈拉沙漠)中正常工作。