射频前端处理

射频前端RF模块位于接收机天线与基带数字信号处理模块之间，它的主要目的是将接收到的射频模拟信号离散成包含GPS信号成分的、频率较低的数字中频信号，并在此过程中进行必要的滤波和增益控制。

我们希望接收机射频前端具有低噪声指数、低功耗、高增益和高线性等优点，使其输出的数字中频信号具有较高的载噪比，以利于随后的基带数字信号处理模块对信号的跟踪变得更为鲁棒，对信号的检测变得更为精确。

因为射频前端工作在高频区，而元器件的能耗随着其工作频率的增加而变高，所以射频前端通常是整个GPS接收机能耗最高的一块。呈数字电路的基带数字信号处理模块的功耗与其运行时钟的频率成正比，还与直流供电的电压平方成正比。

GPS接收机射频前端处理流程：射频信号调整、下变频混频、中频信号滤波放大和模数转换。

1射频信号调整

由天线接收到的卫星i的信号s(i)(t)可以写成：

其中，P为天线接收到的该卫星信号的平均接收功率，x为该卫星所播发的C/A码，D为数据码。上式只代表一颗卫星所发射的C/A码，简写为：

因为位于射频前端处理首端的前置滤波器对于整个接收系统的噪声指数有着很大的影响，所以前置滤波器通常必须具有低噪声的特点。随着信号处理的深入，各级滤波器的有效信号通带会变得越来越窄，而射频前端最后一级滤波器的有效通带带宽称为射频前端带宽Bfe。

** 2下变频混频**

下变频混频是通过混频器将低噪声放大器输出的射频信号与本机振荡器产生的本振信号进行相乘，在滤除乘积中的高频成分后，载波信号频率就从射频下降到中频。下变频混频的主要设计指标包括高镜像抑制比IRR，低噪声指数，高增益，高线性度，高灵敏度以及低功耗等方面。

混频器可分为有源和无源两种。无源混频器构造简单，功耗小，但没有混频增益；有源混频器噪声性能好，但是考虑到功耗与工作频率的关系，通常不适宜高频混频。因为GPS接收机的设计非常关注信噪比，所以它的混频器一般采用有源混频的形式。

混频器首先将石英晶体基准振荡器产生的周期信号经频率合成后，产生出本振正弦信号，接着将射频信号与本振信号相乘，推导过程如下：

我们在混频前需要抑制镜像频率信号，否则它们会渗入到混频后的中频信号波段。中心频率位于f1-2fIF的无关输入信号通常称为镜像信号。多级混频是将多个一级混频串联起来，使信号频率随着各级混频的进展而逐步降低。

例题解算：

还有一种混频方式为同相/正交(I/Q)形式的混频。

** 3中频信号滤波放大**

选取一个具有低噪声性能的首级器件是设计射频前端的一个关键，并且高增益的低噪声放大器LNA应该尽量被安置在射频前端信号处理的初级阶段。

位于混频之前的射频前端首级器件通常有两种选项：一种是具有窄通带的带通滤波器；另一种是增益值为25-40dB左右的高增益低噪声放大器。若首级器件是一个前置带通滤波器，则GPS信号波段之外的射频干扰和噪声在得到放大前先被滤除；若前置低噪声放大器被选用首级器件，则接收机的噪声指数可比前一种方式低2-3dB，但是接收信号中可能存在的强干扰被放大后可使电路达到饱和，而这又会让电路生成一些其他频率的干扰。

估算总的功率放大倍数的简单规则：将开始仅为10nV 左右的天线端感应电压信号放大到ADC的最大输入电压范围值附近。对于GPS接收机射频前端来说，因为GPS信号强度比噪声还弱，而噪声在信号放大的同时也得到放大，所以如果将GPS信号放大到ADC的最大输入值附近，那么放大后的噪声早已使ADC达到饱和。这样，GPS接收机射频前端处理中的总的放大倍数是将噪声幅值而不是将信号幅值放大到ADC的最大输入值。

4模数转换

ADC的性能指标主要包括分辨率、带宽和功耗。对于一个n位的ADC而言，它的分辨率等于2^n，即位数越多的ADC具有越高的分辨率。

混频后的数字中频信号：

为了防止ADC在信号采样过程中发生混叠，采样频率必须满足奈奎斯特采样定理，即采样频率fs必须大于信号最高频率的两倍。在对通带信号进行采样时，采样频率可以小于信号最高频率的两倍，但它仍必须大于两倍的信号带宽Bfe。

过采样是指采样频率大于奈奎斯特定理所要求的采样频率。若采样频率越高，则由于采样过程中原信号频谱的相邻副本分的越开，因而过采样可以帮助抵制频率混叠的发生，提高信噪比，降低对采样前抗混叠模拟滤波器过渡带陡峭性的设计要求。同样，过采样还等效的扩展了ADC的动态范围，即ADC的分辨率。

然而，过采样使ADC的能耗变高，并且增加了随后对数字中频信号处理的运算量。为了既拥有过采样的优点而又不增加最后数字中频信号的数据率，模拟信号的数字处理经常采用一种先过采样，再利用抽取滤波器降低采样率的技术。抽取滤波器实际上可分为两步，先对采样信号进行低通抗混叠滤波，然后再减采样。

我们曾将ADC之前的中频信号sif(t)的噪声带宽称为射频前端带宽Bfe，而这里经减采样后的数字中频信号sif(n)的噪声带宽称为预检带宽Bpd，或者称为相关前带宽。

除了要满足奈奎斯特采样定理外，采样频率值的选取还需要考虑到避免与C/A码码率同步。

在对输入的模拟信号进行采样的同时，ADC还对采样点的信号大小进行量化。量化的基本原理是将采样信号与一些门限值进行比较，从而决定相应的数据位输出是0还是1，于是模拟形式的采样信号值就被量化成一个用二进制数表示的数据。GPS接收机射频前端的ADC一般采用一位、二位或者三位输出。对于一位ADC而言，它的门限值为0，于是采样信号的值被判断成非正即负。下图为两位ADC对一个正弦波连续时间信号进行量化的情况。

增加ADC的位数有助于降低量化误差，从而减小由量化误差引起的接收机灵敏度损失。多位ADC通常需要配置一级或者多级自动增益控制AGC。

接收机通常在存储器中收集一定时间长度的数字中频信号数据，然后再对这段数据进行处理。