CN1818709A - 高频集成电路和全球定位系统接收器 - Google Patents

Abstract

根据本发明实施例的高频IC包括混频器，用于将RF信号降频转换为给定中心频率低于RF信号频率的IF信号；一阶低通滤波器，其通带设定得比由混频器降频转换的IF信号的带宽窄；以及有源低通滤波器，用于去除IF信号的带宽之外的信号。

Description

高频集成电路和全球定位系统接收器

技术领域

本发明涉及高频IC和GPS接收器，特别涉及适合于用于将高频信号转换成作为范围为从0Hz至几MHz的低频信号的基带信号的高频前端IC的高频IC，以及使用该高频IC的GPS接收器。

背景技术

全球定位系统(GPS)导航技术已经用于消费用途并且变得广泛。高精度、高速度的定位技术的最近发展允许GPS接收器的小型化。这能够通过超大规模集成(ULSI)技术将GPS接收器引入到移动终端等中。

随着将GPS接收器引进到移动终端的实施，使通信公用载波在接收到来自移动电话的紧急呼叫时能够识别呼叫位置的增强型911紧急呼叫系统(无线增强型911或E-911)被引入美国，并且它需要将GPS接收器安装到移动电话中。另外在日本，到2007年时，要求移动电话将GPS接收器包括进来作为标准设备。因此，不仅要满足诸如GPS接收器的尺寸和成本降低等市场需求，还需要增加灵敏度，以允许恒定地精确定位。

GPS接收器的灵敏度取决于基带信号处理技术和高频IC技术。基带信号为包含有信息的信号，在本说明书中是GPS信号。目前，使用被称为网络辅助定位的辅助-GPS(A-GPS)技术的基带信号处理提供了-160dBm的理论上的接收器灵敏度。不过，要实现这一点还需要高频IC的技术发展。

目前已经提出了用于GPS接收器的高频IC的各种结构。通常，GPS接收器具有带通滤波器，以增加接收灵敏度。不过，带通滤波器的带通限制引起了GPS信号的损失，因此影响了接收器灵敏度。为了克服这个缺陷，日本未核专利公开No.2003-240833公开了一种将IF信号的带宽设定为20MHz或更高以提高接收器灵敏度的高灵敏度GPS接收器。

不过，增加带通滤波器的带宽以减小GPS信号损失导致了噪声的增加。由于用于放大GPS信号的自动增益控制(AGC)放大器的性能是预定的，因此如果整个信号增加，则相应地增益应该减小。这导致了GPS信号的增益降低。

另一方面，日本未核专利公开No.H7-86529公开了具有450kHz的低通滤波器以去除L1GPS信号之外的噪声的GPS接收器。不过，具有单个低通滤波器的这种方法不能去除来自信号的噪声以得到足够的SNR。

因此，需要在一定程度上限定低通滤波器的带宽的同时，通过详细计算GPS信号与包含在IF信号中的噪声之比来增加用于接收GPS信号的灵敏度。

如上所述，要求提高接收器灵敏度，使得即使在GPS信号强度如在户内那样低时也能够准确识别位置。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了根据所接收的信号来输出数字信号的集成电路。集成电路包括混频器，用于将所接收的信号降频为中心频率低于所接收的信号频率的中频信号；第一滤波器，其通带宽度比经过混频器降频的中频信号的带宽窄；以及第二滤波器，用于去除中频信号的带宽之外的信号。该集成电路可以通过第一滤波器来收窄中频信号的通带，从而噪声分量的损失大于包含在中频信号中的信号分量的损失。从而增加了中频信号的增益，因此提高了接收器灵敏度。

本发明提供了高频IC和具有提高的灵敏度的GPS接收器。

附图说明

下面将结合附图来详细讲述本发明的上述和其他目的、优势和特征，其中：

图1是示出了根据本发明实施例的GPS接收器的高频IC的结构的图；

图2是示出了从GPS卫星发射的RF信号的密度分布的图；

图3为电路图，示出了一阶低通滤波器的例子；以及

图4是示出了一阶低通滤波器的截止频率和接收器灵敏度之间关系的图。

具体实施方式

现在，在这里参考解释性实施例来讲述本发明。本领域的技术人员都知道，许多可选实施例都可以通过使用本发明的讲述来完成，并且本发明并不限于用于解释性目的的这些实施例。

下文中参考图1来讲述本发明实施例的GPS接收器。图1为该实施例的GPS接收器100的框图。如图1所示，GPS接收器100具有天线101、低噪声放大器105、带通滤波器103、混频器106、锁相环(PLL)107、本地信号振荡器108、一阶低通滤波器109、IF前置放大器110、有源低通滤波器111、可变增益放大器(下文中称为AGC放大器)112、A/D转换器113，以及数字信号处理器(下文中称为DSP)104。

在上述组件中，除了天线101、带通滤波器103和DSP 104之外的其他组件都集成在一起，作为高频IC 102。换句话说，紧随天线101、带通滤波器103和DSP 104之后的电路是由外部设备、其他集成电路等构成的。本实施例与现有技术的不同之处在于使用了具有约330kHz截止频率的一阶低通滤波器109和具有约2.5MHz截止频率的有源低通滤波器111的组合。下面来讲述本实施例的GPS接收器的结构。

天线101接收包含了从GPS卫星发射的GPS信号的RF信号。RF信号具有叠加了中心频率为1575.42MHz的载波的GPS信号。天线101将所接收的RF信号输出到低噪声放大器105。

低噪声放大器105对来自天线101的RF信号进行放大，并且将其输出到带通滤波器103。带通滤波器103外部连接到高频IC 102，并且允许特定频带的所接收RF信号通过。混频器106将已经通过带通滤波器103的RF信号转换成中心频率低于RF信号的IF信号，并且将其输出到一阶低通滤波器109。PLL 107产生参考信号。本地信号振荡器108被连接到混频器106。本地信号振荡器108根据从PLL 107输出的参考信号来生成本地频率信号。

一阶低通滤波器109允许来自混频器106的IF信号的特定频带通过。IF前置放大器110对已经通过一阶低通滤波器109的IF信号进行放大，并且将其输出到有源低通滤波器111。有源低通滤波器111允许由IF前置放大器110放大的IF信号的给定频带通过，并且将其输出到AGC放大器112。AGC放大器112对已经通过有源低通滤波器111的IF信号进行放大。由该放大所得到的增益由AGC放大器112进行自动控制。A/D转换器113将来自AGC放大器112的IF信号转换成数字信号。

下面来讲述具有上述结构的高频IC 102的操作。首先，天线101接收从多个GPS卫星发射的RF信号。RF信号包括叠加了中心频率为1575.42MHz的载波的GPS信号。RF信号被输入到高频IC 102中的低噪声放大器105。

低噪声放大器105对所输入的RF信号进行放大，并且将所放大的RF信号输出到带通滤波器103。带通滤波器103只允许所放大的RF信号中的给定频带分量通过。下文中参考图2来讲述通过带通滤波器103的频带。

如图2所示，从GPS卫星发射的RF信号的谱密度具有以中心频率1575.42MHz存在的主波瓣和以片码速率1.023MHz存在的次波瓣。在本实施例中，带通滤波器103的通带被设定为2.046MHz或更高，诸如2.5MHz，以便覆盖RF信号的谱密度的主波瓣。因此，在本实施例中，具有在距中心频率1575.42MHz的+1.25MHz的频带内的频率分量的RF信号通过带通滤波器103。

已经通过带通滤波器103的放大的RF信号被输入到混频器106。同时，本地信号振荡器108根据来自PLL 107的参考信号来生成具有给定频率的本地频率信号。本地信号振荡器108将所生成的本地频率信号输出到混频器106。

混频器106对来自本地信号振荡器108的本地频率信号和已经通过带通滤波器103的放大的RF信号进行混合，从而对放大的RF信号进行降频，以生成例如中心频率为132kHz并且频宽约为1.2MHz的IF信号。

在本实施例中，一阶低通滤波器109位于混频器106和IF前置放大器110之间。由混频器106生成的IF信号被输入到一阶低通滤波器109。一阶低通滤波器109使频带低于特定频率的输入IF信号的频率分量通过。本实施例使用了截止频率为330kHz的一阶低通滤波器。也就是说，一阶低通滤波器具有的通带宽度(330kHz)比降频的IF信号的带宽(1.2MHz)窄。下面来详细讲述一阶低通滤波器109的截止频率的设定。

已经通过一阶低通滤波器109的IF信号被输入到IF前置放大器110。IF前置放大器110对输入的IF信号进行放大，并且将放大的IF信号输出到有源低通滤波器111。

位于IF前置放大器110的下一级中的有源低通滤波器111还起到A/D转换器113的反混叠滤波器的作用，并且限制输入的IF信号的带宽。这防止了在抽样中发生被称为混叠的信号失真，减小了多余干扰波的效果，并且增加了接收灵敏度。高阶有源低通滤波器111去除了未被一阶低通滤波器109去除的残余噪声等。

有源低通滤波器111允许来自IF前置放大器110的IF信号的低于特定频率的频率分量通过。本实施例使用截止频率为2.5MHz的八阶低通滤波器来作为有源低通滤波器111。因此，八阶低通滤波器去除IF信号的频带之外的噪声信号。

已经通过有源低通滤波器111的IF信号被输入到AGC放大器112。AGC放大器112自动控制低频放大器的增益，使得即使来自天线101的RF信号强度发生变化也能够稳定地解调信号。因此，即使来自天线101的RF信号在强度上发生变化，输入到A/D转换器113的IF信号也能保持在恒定电平。这允许A/D转换器113能像设计的那样没有任何改变地以有效比特数来运行。

A/D转换器113将输入的模拟IF信号转换成数字IF信号。由A/D转换器113转换的IF信号被输入到DSP 104。

DSP 104根据输入的IF信号和来自PLL 107的参考信号来跟踪RF信号、解调轨道数据，并且计算GPS卫星和RF信号的接收位置之间的位置关系。可以使用具有常规采样速度的GPS接收器的现有DSP来作为DSP 104。

在GPS接收器100的组件中，带通滤波器103、带通滤波器103、低噪声放大器105、混频器106、PLL 107、本地信号振荡器108、一阶低通滤波器109、IF前置放大器110、有源低通滤波器111和AGC放大器112构成IF信号处理器，其将具有由天线101接收的1575.42MHz的高中心频率的RF信号降频转换为具有例如132kHz的低中心频率的IF信号，以便于数字处理。

由DSP 104等组成的基带LSI肯定需要在来自从使用了相关器等的A/D转换器113输入的数字信号的IF信号中的GSP信号。用于控制AGC放大器112的放大程度的控制信号是由A/D转换器113的输出数字信号的平均脉宽生成的。

下文中来讲述本实施例的高频IC 102。本实施例的高频IC 102与现有IC的不同之处在于一阶低通滤波器109位于IF前置放大器110的前一级中。在本实施例中为了得到最高的灵敏度，有必要在输入到AGC放大器112之前在模拟信号中减小从混频器106输出的IF信号的噪声，以尽可能多地避免GPS信号分量的衰减。因此，下面来讲述一阶低通滤波器109的截止频率的设定。在以下例子中讲述IF信号中心频率为132kHz的低IF接收器的高频IC 102的结构。

图3为电路图，示出了本实施例的一阶低通滤波器109的例子。例如，如图3所示的RC低通滤波器可以用于一阶低通滤波器109。在这种情况下，如果电阻为R并且电容为C，则可以通过以下公式从转移特性中计算出低通滤波器的截止频率fc和电压增益VGain。

$\mathrm{fc}=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}}\·\·\·\left(1\right)$

$\mathrm{VGain}=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(2\mathrm{\πfRC}\right)}^2}}\·\·\·\left(2\right)$

在本实施例中，IF信号的中心频率为132kHz。因此，一阶低通滤波器109的截止频率不会被设定为132kHz或更低，并且因此假设低于132kHz时不发生信号(噪声和GPS信号)损失。此外，截止频率为2.5MHz或更高的八阶有源低通滤波器111位于下一级中。因此，还假设具有频率2.5MHz或更高的IF信号没有被输入到AGC放大器112。在这些条件下，计算出一阶低通滤波器109中的噪声和GPS信号的损失。

噪声损失或热噪声损失由LN表示，并且包含在IF信号中的GPS信号的损失或GPS信号损失由LS表示。取决于频率或GPS信号密度的GPS信号的谱密度由S(f)表示。当将一阶低通滤波器109引入到高频IC 102时发生的热噪声损失LN和GPS信号损失LS可以通过以下公式计算得到。

公式3～5表明，在模拟方面，信噪比(SNR)因一阶低通滤波器109的出现而变化。如果SNR的变化即ΔSNR是由分贝(dB)来表示，则有如下公式：

ΔSNR(dB)＝LN(dB)-LS(dB)     …(6)

上述公式的计算结果表明，设定的一阶低通滤波器109的截止频率越低，则SNR值越大。如果降低截止频率，则包含在IF信号中的GPS信号的损失增大，但是噪声损失的增大更为显著。从而AGC放大器112的增益增加并且GPS信号的增益也增加。此外，由于GPS信号不均匀地分布，因此如果截止频率设定得较低，则GPS信噪比相对增加。SNR值相应地增加。

不过，由于GPS信号本身的损失也增加，因此SNR的增加并不必然导致接收器灵敏度的增加。也可以通过比较GPS信号损失和SNR变化量ΔSNR来得到最大限度增加接收器灵敏度的方法。由于一阶低通滤波器109的出现而引起的接收器灵敏度的变化ΔSensitivity通过以下公式来确定：

ΔSensitivity(dB)＝ΔSNR(dB)-LS(dB)       …(7)

该公式表明，ΔSensitivity的值越大，则GPS接收器的灵敏度越高。

图4示出了根据上述理论模型的实际计算结果。在图4中，横轴表示一阶低通滤波器109的截止频率(kHz)，纵轴表示接收器灵敏度(dB)的增加。该图显示出当一阶低通滤波器109的截止频率被设定为330kHz时，接收器灵敏度的增加是最大的。因此通过将一阶低通滤波器109的截止频率设定为IF信号的中心频率加上200kHz所得到的值，可以提高接收器灵敏度。

如果截止频率太低，则接收器频率的增加降低。如果截止频率太高，接收器频率的增加也降低。

在IF信号为132kHz的低IF接收器的高频IC 102中，截止频率约为330kHz的一阶低通滤波器109位于IF前置放大器110的前一级中。因此，在图3中，R为4KΩ，C为120pF。实际试验结果也显示出与没有放置一阶低通滤波器109的情况相比，接收器灵敏度增加了约2dB，这与理论结果是基本一致的。

虽然以上讲述说明了其中一阶低通滤波器109和有源低通滤波器111分别位于IF前置放大器110的前一级和后一级中的情况，但是并不限于此。当具有低截止频率的一阶低通滤波器109位于IF信号处理器中的混频器106后面的任何位置中时，也可以得到相同或类似的灵敏度效果。

此外，虽然以上讲述说明了使用具有中心频率为132kHz的低IF信号的情况，但是也不限于此。上述计算结果可以应用到具有其他中心频率的IF信号。使用具有在距IF信号的中心频率+200kHz的范围的通带的滤波器可以提供相同或类似的灵敏度增加。

因此，使用带通滤波器是可行的。在这种情况下，如上所述，使用允许信号具有在距IF信号的中心频率+200kHz的频带的信号的带通滤波器。因此，使用带宽为400kHz的带通滤波器。这可以增加GPS接收器100的灵敏度。例如，还可以应用2.046MHz或更高的IF信号的高频IC。在这种情况下，使用带宽为400kHz的一阶带通滤波器和带宽约为2.5MHz的现有高阶带通滤波器的组合。

如上所述，本发明通过使用通带设定得比IF信号的带宽2.046MHz窄的滤波器，例如上述实施例中经过降频的IF信号的1.2MHz带宽的滤波器，和用于GPS接收器的高频IC的IF信号处理器的具有常规带宽的滤波器的组合来提高接收器灵敏度。

很明显，本发明并不限于上述实施例，在不偏离本发明的范围和精神的情况下，可以对其进行修改和变化。

Claims (12)

1.一种根据所接收的信号来输出数字信号的集成电路，包括：

混频器，用于将所接收的信号降频转换为中心频率低于所接收的信号的频率的中频信号；

第一滤波器，其通带宽度比由混频器降频转换的中频信号的带宽窄；以及

第二滤波器，用于去除中频信号的频带之外的信号。

2.如权利要求1所述的集成电路，其中第一滤波器的通带是根据信号分量的损失与包含在中频信号中的噪声分量的损失之比来确定的。

3.如权利要求1所述的集成电路，其中第一滤波器为低通滤波器，并且第一滤波器的截止频率为中频信号的中心频率加上200kHz的值。

4.如权利要求2所述的集成电路，其中第一滤波器为低通滤波器，并且第一滤波器的截止频率为中频信号的中心频率加上200kHz的值。

5.如权利要求1所述的集成电路，其中第一滤波器为带通滤波器，并且第一滤波器的通带为400kHz。

6.如权利要求2所述的集成电路，其中第一滤波器为带通滤波器，并且第一滤波器的通带为400kHz。

7.一种全球定位系统接收器，包括：

带通滤波器，允许具有特定的频带的所接收的射频信号通过；

混频器，用于将已经通过带通滤波器的射频信号降频转换为中频信号；

第一滤波器，其通带宽度比由混频器降频转换的中频信号的带宽窄；以及

第二滤波器，用于去除中频信号的频带之外的信号。

8.如权利要求7所述的全球定位系统接收器，其中第一滤波器的通带是根据信号分量的损失与包含在中频信号中的噪声分量的损失之比来确定的。

9.如权利要求7所述的全球定位系统接收器，其中第一滤波器为低通滤波器，并且第一滤波器的截止频率为中频信号的中心频率加上200kHz的值。

10.如权利要求8所述的全球定位系统接收器，其中第一滤波器为低通滤波器，并且第一滤波器的截止频率为中频信号的中心频率加上200kHz的值。

11.如权利要求7所述的全球定位系统接收器，其中第一滤波器为带通滤波器，并且第一滤波器的通带为400kHz。

12.如权利要求8所述的全球定位系统接收器，其中第一滤波器为带通滤波器，并且第一滤波器的通带为400kHz。

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