【技术帖】你所不知道的手机黑科技——细数GNSS LNA的关键技术指标

从20世纪60年代开始，以全球定位系统为代表的全球导航卫星系统应用产业至今已逐渐发展成熟，如今社会中诸多行业的正常运行已经高度依赖于GNSS所提供的全天候高精度高可靠性的定位信息。同时，借助芯片产业的发展，GNSS 全体系的设备制造成本以及应用成本大幅度降低，这使得 GNSS 设备的应用变得更加普遍，已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。

-01-   |GNSS简介  

全球导航卫星系统是在地球表面或近地空间的任何地点，能全天候地为用户提供三维坐标、速度以及时间信息的无线电导航定位系统，包括一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强系统。目前全球有四大卫星导航系统，包括中国的北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System, BDS）、美国的全球定位系统（Global Positioning System, GPS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo Navigation Satellite System, Galileo）和俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（Global Orbiting Navigation Satellite System, GLONASS）。

整个卫星导航系统由空间星座部分、地面监控系统、用户设备部分组成。图1为BeiDou、GPS、Galileo、GLONASS之间的对比。为了更加充分地应用GNSS定位的优势，越来越多的研究机构与公司都在研究GNSS接收机。在GNSS接收机中，射频前端起着至关重要的作用，它可以接收微弱的卫星信号，并对信号滤波、放大、变频后供给后级电路使用。下文以GPS接收机系统为例，详细介绍射低噪声放大器在射频前端的主要性能参数。

▼图1：BeiDou、GPS、Galileo、GLONASS的比较▼

-02-| 低噪声放大器在GPS的应用

低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）一般用作各类无线电接收机的前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。它的主要工作是对系统接收到的微弱信号进行放大。在GPS应用中，由于从卫星接收到的GPS信号非常微弱（一般会低于-130dBm），通常需要在天线的附近放置低噪声放大器将信号放大。LNA位于射频前端电路的前级，如图2，对于GPS接收机系统总噪声系数起决定性作用。

同时GPS接收机灵敏度取决于系统的信噪比，噪声系数的大小决定了接收机灵敏度的性能。降低LNA噪声系数可以降低电路的总噪声系数，还可以提高接收机的灵敏度。除了关注LNA芯片的噪声系数、线性度等指标外，对系统设计者而言，GPS系统的关键设计指标还包括了灵敏度（Sensitivity）和首次定位时间（Time To First Fix，TTFF）等。

▼图2： GPS接收模块 ▼

-03- | 低噪声放大器关键技术指标

芯片的技术指标

射频前端接收机芯片主要是对接收到的微弱信号进行放大、降频及滤波，得到后端电路正常工作需要的信号。在射频电路中，存在一些非理想特性，如环境中的噪声，会对电路产生干扰，影响信号质量。除此之外，电路本身的非线性效应会导致无法避免的干扰信号产生。因此，作为GPS接收链路的第一级，LNA的噪声、线性度、增益会影响整个电路系统的功能。

• 噪声系数

噪声是一种随机信号，在绝对零度以上，任何器件都会产生噪声。噪声的主要来源有两种，一是电路自身产生的，另一种是外界环境中的噪声。当信号经过器件时，受噪声影响导致质量下降。由于系统的单元电路噪声在很大程度上影响了整个射频系统的灵敏度，因此噪声是系统性能参数的重要指标之一。

噪声因子与噪声系数均是衡量射频系统噪声性能的参量。在图3中，输入信号Sin及输入噪声Nin经过放大电路，产生输出信号Sout及输出噪声Nout。噪声因子是输入信噪比与输出信噪比的比值：

F=（Sin/Nin）/（Sout/Nout）

▼图3：放大器噪声模型▼

噪声系数则是噪声因子的dB值，即NF=10*logF。

接收机灵敏度是在满足输出信噪比的条件下，接收机所能检测的最小输入信号电平。它与输出信噪比及接收机本身的噪声大小相关，可以表示为：

Pin=-174(dBm/Hz)+NF(dB)+10logBW+(Eb/N0)min(dB)

BW指的是带宽，Eb/N0是解调门限。对于确定的射频系统，BW及Eb/N0都是确定值，因此特定射频系统中影响接收机灵敏度的关键因子是噪声系数。

从应用的角度讲，噪声系数对通信系统性能至关重要。如果噪声系数不够好，会导致接收灵敏度恶化，引起误码的产生，从而影响数据的有效传输。N级级联网络的噪声系数公式可以表示为：

F=F1+(F2-1)/G1+(F3-1)/G1G2+…+(FN-1)/G1G2…GN-1

一般在接收机的最前端放置LNA来提高整个系统的灵敏度，根据N级放大器串联的噪声因子计算公式可以得出第一级器件对于整个链路的NF有比较大的影响，因此位于GPS链路前端LNA的噪声系数对整个GPS系统起着至关重要的作用。若LNA的噪声系数越低，增益越高则系统的噪声系数越小，从而得到更高的灵敏度，更短的定位时间。

• 线性度

在设计LNA时，在不引入更多噪声的前提下实现信号的放大尤为重要，在接收大功率信号时能够保持高线性度也十分重要。一般而言，会导致器件非线性失真的因素有：带外单频干扰、带外交调干扰、带外互调干扰等。

当带外干扰为单频信号时，我们主要考虑P1dB作为线性度的衡量标准。当输入信号较小时，其输入输出呈线性关系，但输入信号增大到一定程度时，输出与输入不再呈线性关系而是趋于饱和，此现象称为压缩。信号增益下降1dB时所对应的输入信号功率定义为1dB增益压缩点，如图4所示。

▼图4：1dB压缩点示意图 ▼

当手机中的GSM打开时，GPS前端收到的信号强度最高可达-9dBm，如图5所示。如果干扰信号过强以至接近芯片的P1dB时，放大器增益下降，噪声系数上升，系统性能下降，严重影响用户使用，因此LNA的1dB增益压缩点越大越好。

▼图5：GPS前端接受信号示意图 ▼

当输入存在带外双频干扰时，我们主要考虑IIP3作为线性度的衡量标准。由于放大器的非线性，在输出端会出现交调衍生信号。由（2f1-f2）与（2f2-f1）组成的三阶交调衍生信号与基频信号频率相近，会随之进入电路，使输出信号产生失真。

IP3定义为：线性Pout-Pin曲线与非线性Pout（2f1-f2）-Pin曲线外插交点所对应的输入功率（或者：线性Pout-Pin曲线与非线性Pout（2f2-f1）-Pin曲线外插交点所对应的输入功率）；可知当Pout-Pin=Pout（2f1-f2）-Pin，可得Pout= Pout（2f1-f2），即线性输出基波功率与非线性三阶交调信号输出功率相等时称之为IP3点，当IP3点对应到输入功率时，称之为IIP3，对应到输出功率时，称之为OIP3。

IIP3的测量可以通过在输入端加频率相隔很小的双音信号，在输出端会产生所需的输出信号和三阶交调失真，如图6所示。若双音信号的功率为Pin，输出的基波与三阶交调分量功率之差为P，则电路的IIP3约为：

IIP3=Pin+P/2

▼ 图6：三阶交调示意图 ▼

GPS的接收信号远远弱于带外的其它干扰信号，如果（2f1-f2）与（2f2-f1）频率处出现的干扰项正好位于GPS信号的频率所在范围，则系统性能下降，如图7所示。

当IIP3指标越高时，落在GPS带内的干扰项越弱，抗干扰能力越强，线性度越好，能够极大提升用户的使用体验。

▼图7：GPS前端接收信号示意图 ▼

IIP3和1dB压缩点均可用来衡量电路的线性度，且两种方式是等价的。当一种量已知时，另一个量的大致范围可估算得出。

如图8所示，下图不仅标明了P1dB的位置，同时也标明了IIP3处于比1dB压缩点高的输入功率处。

▼图8： LNA线性度参数图 ▼

• 系统的技术指标

随着GPS应用范围的不断扩展，对GPS接收机的系统性能要求越来越高。高灵敏度和低TTFF的接收性能可以令GPS接收机在室内或其它卫星信号较弱的场景下仍然能够实现定位和跟踪，极大地拓宽了GPS的使用范围。

• 载波噪声功率谱密度比

载波噪声功率谱密度比（Carrier to Noise Power Spectrum Density Ratio，C/N）是接收到的载波（即信号）功率与噪声密度之比。从GNSS信号中提取导航数据时，较高的C / N0值可以降低误码率，减少载波和代码跟踪环路的抖动。减少的载波和代码跟踪环路抖动能够进一步缩小噪声范围的测量，从而实现更精确的定位。

• 灵敏度

GNSS设备接收这种低强度信号并最终为用户提供有用信息的能力被称为接收灵敏度。接收灵敏度一般包括捕获灵敏度和跟踪灵敏度。

捕获灵敏度：

打开GNSS接收机，将进行“满天搜索”，捕获卫星信号，捕获灵敏度是GPS接收机冷启动后能搜到星的卫星信号最低发射功率，一般捕获灵敏度大约为-147dBm。

跟踪灵敏度：

GPS接收机搜到星后，能定位的卫星信号最低发射功率。指在捕获到卫星信号之后，GPS信号能够导航的最低信号强度（即卫星没有跟丢），一般跟踪灵敏度为-157dBm。

• 首次定位时间(TTFF)

GPS设备的TTFF与其启动条件有关，可以分为三种情况：一是接收器本身完全无有效卫星数据的冷启动（Cold Start）；一是接收器具有有效的星历数据、时间和起始位置，称为暖启动（Warm Start）；如果再具有更准确的广播星历数据，则称为热启动（Hot Start）。

1、冷启动：接收机不依靠存储的上次定位信息，而进行“满天搜索”。冷启动时间一般小于45秒；

2、暖启动：介于热启动和冷启动之间，之前的参考频率等信息存在但星历丢失。暖启动时间一般大于30秒；

3、热启动：接收机利用存储的卫星星历和上次定位信号进行快速捕获卫星信号完成定位。热启动要求接收机当前位置距离上次定位不能过远，而且星历应处于有效期内。热启动时间一般小于6秒。

-04- | awinic GNSS LNA系列 

上海艾为电子技术有限公司推出的GNSS LNA系列产品与传统方案相比，具备低噪声系数、高线性度等更具竞争力的性能。

▼图9：GPS L5频段对应典型应用图 ▼

▼图10：GPS L1频段对应典型应用图▼