GPS射频前端设计及GPS信号捕获方法研究

论文摘要

GPS射频前端和GPS信号捕获方法在GPS接收机中占有重要的地位,前者的性能优劣直接影响着GPS接收机的接收灵敏度以及后继信号处理部分的性能。后者的性能决定着接收机截获有用信号的能力。因此,本文的主要目的在于对GPS射频前端和GPS信号捕获方法的研究。其中对GPS信号捕获方法的研究主要分为两个方面,即高动态环境下的GPS信号捕获和低信噪比环境下的GPS信号捕获。首先,本文在研究GPS基本原理和射频电路设计基本原理的基础上,探讨了GPS射频前端的设计问题,应用Zarlink公司的GP2010芯片设计出了符合要求的GPS射频前端。其次,本文以传统捕获方法为依托,重点对能满足高动态GPS信号快速捕获要求的基于码相位的FFT捕获方法和基于载波的FFT捕获方法进行了研究。研究表明:前一种方法能够在搜索一个频率单元的同时完成对所有码相位点的搜索,其速度远优于传统的滑动相关捕获方法。后一种方法能够在搜索一个码相位单元的基础上完成对整个多普勒频率的搜索,并且其频率搜索范围大,硬件易于实现。最后,本文对低信噪比环境下的GPS信号捕获技术进行了研究。通过对相干积分和非相干积分算法的研究和实验性能仿真,表征出了这两种算法分别存在的问题:比特翻转和平方损耗。最后,重点介绍了一种差分相干方法,实验仿真说明该方法能够消除上面的缺点,性能远优于相干积分和非相干积分方法,非常适合低信噪比环境下的GPS信号捕获。与此同时,通过对捕获门限的研究,特别对自适应门限中的噪声功率估计方法的研究,提出了三种能有效估计噪声功率的方法。为了提高捕获的检测概率,同时对唐搜索检测器和N中取M搜索检测器的性能进行评估,本文推导了检测器的总虚警概率,总检测概率和平均驻留时间的计算公式。通过数值验证讨论了检测器各参数作用及对捕获性能的影响。其研究结果对实际检测器参数确定具有一定的指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 GPS接收机
• 1.2.2 高动态GPS信号捕获技术
• 1.2.3 低信噪比环境下GPS信号捕获技术
• 1.3 本文的主要工作
• 2 GPS信号结构
• 2.1 GPS系统的信号结构
• 2.1.1 载波信号
• 2.1.2 C/A码生成
• 2.1.3 C/A码相关特性
• 2.1.4 导航电文
• 2.2 GPS信号生成
• 2.3 本章小结
• 3 GPS射频前端设计
• 3.1 GPS信号信噪比分析
• 3.2 GPS射频前端基本结构
• 3.3 GPS射频前端设计要求
• 3.3.1 整体增益要求
• 3.3.2 变频阶数要求
• 3.3.3 抑制能力要求
• 3.3.4 其它要求
• 3.4 基于GP2010的GPS射频前端硬件电路设计
• 3.4.1 射频端滤波器
• 3.4.2 低噪声放大器电路
• 3.4.3 GPS射频前端前段芯片
• 3.4.4 GPS射频前端原理图设计
• 3.4.5 GPS射频前端电路版图设计
• 3.5 GPS射频前端硬件电路的测试
• 3.5.1 GPS射频前端实际电路板
• 3.5.2 前端测试平台搭建
• 3.5.3 测试结果
• 3.6 本章小结
• 4 高动态环境下GPS信号捕获方法研究
• 4.1 常用GPS信号捕获方法
• 4.1.1 滑动相关捕获方法
• 4.1.2 多普勒频移对伪码捕获的影响
• 4.1.3 滑动相关捕获方法的优缺点
• 4.2 高动态环境下GPS捕获的相关问题考虑
• 4.2.1 高动态给接收机带来的问题分析
• 4.2.2 捕获电文长度、码相位及多普勒频率搜索步进
• 4.3 高动态环境下GPS信号捕获方法研究
• 4.3.1 基于码相位的FFT算法
• 4.3.2 基于载波FFT捕获算法
• 4.4 捕获门限的确定
• 4.5 检测器结构设计
• 4.5.1 唐（Tong）搜索检测器
• 4.5.2 N中取M的搜索检测器
• 4.6 本章小结
• 5 低信噪比环境下的GPS信号捕获
• 5.1 相干积分及其限制
• 5.1.1 相干积分原理
• 5.1.2 相干积分优缺点
• 5.1.3 相干积分捕获性能分析
• 5.2 非相干积分
• 5.2.1 非相干积分原理及特点
• 5.2.2 平方损耗
• 5.2.3 非相干积分捕获性能分析
• 5.3 差分相干积分方法
• 5.3.1 差分相干积分原理
• 5.3.2 差分相干积分算法分析
• 5.3.3 差分相关捕获算法性能的实验仿真
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在校学习期间发表的论文及参与课题情况
• 附录一 GPS射频前端电路原理图
• 附录二 GPS射频前端电路版图（顶层）