都市条件下GPS信号源接收机仿真及链路分析

　　E-911的实施推动了高灵敏度GPS的发展,GPS必须能够鲁棒的覆盖乡村和城市,许多应用要求50 m甚至1 m以内的定位精度[1]。为手机应用而设计的GPS接收机需要在不同的挑战性环境中测试,比如城市峡谷、室内以及地下室等,上述环境中的信号受到严重功率衰落和多路径干扰。

　　传统的测试方法是实地测试,这种方法成本高、耗费时间,并且会因测试环境的不可控而产生不确定性。目前业内流行的GPS开发流程是采用无线通信系统仿真模型建立从信号源到基带一体化仿真环境,其中GPS信号源因其可重复性和严格可控性能够验证接收机的性能。如果仿真模型与实际环境相符合,实验室仿真就能够代替大部分实地测试,从而节省成本和时间,缩短了开发周期[2]。

　　商用GPS信号源价格昂贵,动辄几十万,信号带宽和采样率等参数不可调,难以评估信号带宽、ADC量化位数以及采样率等参数对基带处理算法的影响[3-4];低端产品比如STR4500功能单一,只能提供比较简单的场景,若申请复杂多径场景,则需另外付费[3]。高端产品如GSS6560采用LMM模型(land mobile model)模拟都市环境下的多径信号[4],至于声称可以模拟室内多径信号,实际上并没有这项功能,而最新的研究表明LMM模型与实际环境不相符,需要进一步研究[2]。

　　MATLAB功能丰富、方便易用,被一些主流GPS公司采用建立无线通信仿真系统。因篇幅所限,本文仅讨论接收机仿真及链路预算分析,发射机及多径信道仿真见文献[1]。

　　1　GPS接收机低通等效模型

　　假设相干接收机射频采用低中频架构,经过一次下变频,下变频为ωlocal,本地振荡器相位为φ1,中频为ωIF,低通滤波器为理想低通滤波,则中频信号为:

　　2　系统架构及接收机仿真

　　2.1　系统架构

　　信号源采用simulink开发,由发射机、多径信道和接收机三部分组成,如图1所示。发射机及信道仿真见文献[1],通过多径信道的衰落信号,经一级下变频转换为中频信号,经ADC实现中频采样。

　　2.2　接收机仿真

　　接收机采用相干接收机方案,由天线、射频前端、匹配滤波器、BPSK解调以及ADC等模块组成[5,8],如图2所示。

　　天线参数采用商用右旋圆极化天线,其典型值:放大增益28 dB、天线增益-3 dB、噪声系数1.5 dB、干扰抑制20 dB[6]。

　　射频前端主要包括相位噪声、接收机热噪声、LNA、混频器以及射频带通滤波器。如图3所示。

　　目前比较典型的一阶低噪声放大器噪声系数0.5~1 dB,多阶低噪声放大器的噪声系数1~2.5dB。一阶放大器的增益为15 dB,多阶低噪声放大器的噪声系数在25~50 dB[2]。输入三阶截止点(IIP3)、输出三阶截止点(OIP3)和输出1 dB压缩点用来表征当输入一个或多个强信号时低噪声放大器的性能,合理地选择这三个参数,使LNA能够跟踪功率低至-15 dBm的信号。综合上述,我们可以选择LNA的各项参数为:增益为30 dB;噪声系数为1.5 dB;IIP3为-7.2 dBm;1 dB压缩点为-18dBm,不考虑带外抑制功能。