基于美国联邦通讯委员会(FCC)的E911定向和定位业务(LBS)，期望紧跟这一标准的全球定位系统(GPS)接收机随时准备在无线通信中扮演一个至关重要的角色。成功的E911/LBS产品与业务将会需要具有以下特征的解决方案：能在移动电话中实现GPS功能，而且是低成本、低功耗、高精度并具有高灵敏度及良好的抗扰性。
GPS接收机通常包括两个功能块：无线电射频前端和基带数字信号处理器(DSP)。如今，随着CMOS数字技术的发展，已允许将基带处理设计转移至半导体生产商，利用如CEVA公司的DSP内核在系统级上实现。理想情况下，RF前端也能采用标准的生产工艺，并可转移至各个生产商那里来实现。
嵌入式GPS解决方案的支持包括开发一种方法，即用最少的重新设计时间在射频集成电路(RF IC) 解决方案上适当地提供具有硅特征的GPS。接下来对该方法进行了解释，并讨论如何在安捷伦?司的高级设计系统 (ADS) 仿真器上利用软件模型方法来评估射频 IC设计。
无线接收机设计通常分为两个方面：顶级或系统级需求设计，例如芯片增益与频率规划；以及单独的电路模块性能设计。传统的设计方法中，对于系统设计，DSP设计和RF设计都采用不同的设计工具。RF IC设计人员通常必须协调高密度电路中模拟、数字和RF信号的不同的模拟结果。例如，将双极晶体管与无源元件和高速CMOS逻辑电路集成在一起，就会对电路的运行带来很大不确定性，通过需要模拟一个锁相环(PLL)来说明，这时，设计师就必须对数字计数器/除法器和模拟压控振荡器(VCO)进行联合仿真。
GPS无线设备的最初设计和研发需要一个仔细的设计过程，其焦点集中在目标过程技术的特殊性和明确性。将其转化成知识产权(IP)以应用到其它设计过程需要一种比最初的设计阶段显著地减少研发时间和费用的方法。确实，绝大部分消费产品的研发时间非常短，通常只有初次示范设计所需时间的50～70％。
因此，就需要这样一种方法，它能支持频域与混合域仿真技术；优化和统计设计工具；以及附加设备，系统，还有行为模型。该方法即允许自上而下的设计方法又允许自下而上的设计方法，这样，由不同处理器模型产生的晶体管级的变化就能被传送至系统级。ADS允许同时使用时域和谐波平衡非线性仿真技术。
该法能够对采用高级0.13 μm CMOS工艺和先进设计的单芯片GPS接收机与分离的射频和数字芯片进行折衷比较(允许将数字知识产权集成到主芯片中)。用来帮助确定总的系统性能的软件会受益于基于先进的SiGe(SiGe) BiCMOS工艺的分离无线设备(图1)。该无线设备设计指的是XPERT-GPS RF平台(图2)，它为GPS提供了无线射频前端，以用于移动通信中，例如手机和个人数字助理(PDA)。
为了实现高度集成，小于1.5dB的噪声指数，低功耗以及低系统成本，该无线设计采用了 SiGe双级CMOS (SiGe BiCMOS) 工艺。该无线设备将GPS L1频带下变频到1575.42 MHz，并完成一个可选的1b符号/幅度或2b符号/1b幅度的模数(ADC)转换以产生3.78 MHz的基带信号，该基带信号被送入基带处理器。
一个利用外部温度补偿晶体振荡器(TCXO) 的可变频率设计方案，提供了必不可少的本地振荡(LO)频率和基带时钟频率，能用一个单板设计来支持从10～26 MHz的不同的参考时钟频率。作为选择，对于低成本的应用场合，在使用内置振荡器电路的设备中，可以使用一个晶体。
RF子系统的关键挑战在于，在一个移动电话手机中具备两种操作功能能力的同时，来满足GPS镜像抑制的要求。必须在相互不利的RF环境中，以及优化过程中提供良好的协处理能力，这些优化对象包括稀缺的空间资源，带宽，电源，处理功率，以及在存在手机协议产生的干扰环境下的每秒数百万条指令(指令周期为时钟周期) 。
在多抽象层次上使用ADS研发出来了GPS 射频模型， 以产生并发送GPS信号到一个单通道基带相关器进行解调。利用该方法，在硅工艺实现过程中，能够定义、优化并规定每个模块的性能，从而简化了将设计转移到其它半导体工艺过程中的工作。该方法同时也允许射频集成电路知识产权作为CEVA模块被用在客户测试平台中，因此减少了在一个给定的系统环境中仿真和提取性能参数所用的时间。
图3显示了在设计仿真器窗口中的射频 IC的顶级原理图。该仿真器允许显示每个模块的特性，这样就可以轻易地观察到模拟环境参数。这很重要，因为每一个符号都可能包含子层级信息。
该仿真器必须能仿真关键系统性能参数，包括噪声、线性度、增益、灵敏度、频率及调制度。图4显示了一个有代表性的GPS频谱的功率谱密度(PSD)和热噪声。注意该GPS信号的辛格函数(sinx/x)特性。该射频 IC必须能够处理比噪声电平约低20 dB的信号，只有通过集成，直到该信噪比(SNR)大于0，该接收器才能从噪声中恢复该GPS信号。
该仿真器的许多功能支持大量的测试场景。例如，谐波平衡仿真器主要用来为评估频域中的信号混合和压缩引起的射频模块的非线性指标 (就像混频器里的噪音分析)。然后，整个系统用Agilent Ptolemy公司的ADS模块进行协仿真。该仿真模块与电路封装仿真器一起，就可以将码恢复前端和基带中的相关数字逻辑与模拟模块一起进行协仿真，这样就可以观察对数据解调的影响。这是一个很有效的技术，这里时间步长由调制带宽决定，而不是根据系统的最高频率。由于仅围绕感兴趣的频率进行计算，该方法在分析已调制的波形时十分有效。例如，一个用SPICE模型的时域分析，在对本振为1.6GHz 的混频器进行仿真时，可能使用50 ps的时间步长，此时，如果感兴趣的频带是该本振频率的三倍，就会导致很长的仿真时间。
作为一个手提电话中的内嵌式GPS接收机，在存在干扰频率的环境下工作的能力是其适应性的一个很好的量度。电话本身的频率就是GPS接收机的干扰源，当然这还取决于他们的功率电平(表1)。
抗阻塞干扰能力是接收机在干扰信号环境中捕捉GPS信号能力的一个量度。这指的是接收机抑制干扰镜像频率的能力，该干扰镜像具有与所要求的频率，即fif ，一样的频谱。例如，一个位于frf+2fif处的干扰镜频可以它由任意的频谱分量与flo 混频时产生。
图5显示了GPS 射频 IC的非线性特性与干扰频率的关系。当GPS信号电平为-130dBm，而干扰功率电平约为?90dBm时，该接收机保持线性。在蜂窝手机中嵌入GPS，就意味着干扰频率将是蜂窝频率附近的频率，在GSM系统中约为1800MHz。
如果干扰信号的电平超过GPS接收机中各类电路模块的线性范围，这个?干扰功率电平将会导致寄生信号的产生。这时，带外干扰源与这些寄生分量混频就会产生与有用信号fif 位于相同频带内的干扰产物。如果该电平足够高，产生的寄生产品可能超过电路的线性范围，导致电路不能正常锁定GPS信号。对于干扰环境仿真，用一个+33dBm的输出电平来仿真由GSM天线发射的入射干扰功率电平。该仿真中使用了一个前端滤波器模块。
对于更高级别的GPS系统模拟，Agilent Ptolemy和电路封装协仿真环境允许分析已解调的基带数据。它也允许操作者观察被模拟的RF IC协仿真测试平台(图未示)，被用来以原理图的形式来定义系统性能。这些原理图是谐波平衡和电路封装仿真环境的基础。这样的测试设备甚至能够观察对载噪比(CNR)影响情况的参数扫描(例如干扰功率级别) 。根据具体环境，一般来说，对于较好的GPS性能，要求CNR约为40dB/Hz或更高。
图7显示了一个已解调GPS信号的I/Q极坐标图。在这种情况下，该GPS信号没有携带数据并且，因此只显示了一个符号。这是一个检查解调信号品质好方法；一个差的信噪比会导致一个更大的符号分配区域。由于已经排除了噪声和相位的影响，该CNR有所增加，并且随着SNR的改善，符号分配区域变得更靠近(即更小)。
GPS射频IC设计中的一个关键因素包括IF滤波器：它必须对带外干扰信号提供足够的抑制，但又不占用太多的半导体模片结构(腔区)或消耗太多的电流。图8能帮助评估这些折衷，并给出了CNR(载噪比)退化仿真结果，其为滤波器带宽和阶数的函数。结果显示，该CNR与IF滤波器的带宽的关系为一个反向槽状响应。再来看GPS信号的辛格函数(sinx/x)响应，当带宽小于约1.5MHz时，将会切掉基本信号以及sinx/x波瓣的一部分，这样，结果是减少了SNR。当带宽超出约3MHz时，而在旁瓣区域中的SNR的增加小于综合噪声的增加，从而导致CNR下降。就滤波器级数而言，当滤波器的阶数高于4阶或5阶时，获得的收益将很小，因为CNR不再增加。这类分析使得人们在选用滤波器时，能在提供足够的CNR性能的前提下不增加复杂性和成本。
GPS接收器性能的最终测量是跟踪GPS卫星的能力。图9显示了使用NS3000 GPS平台中的XPERT-GPS 射频仿真器在16 ms综合时间范围内得出的接收机早期－即时－晚期相关输出结果。基带信号产生早期，晚期以及即时编码类型；通过XPERT-GPS 射频仿真平台，产生的信号相关三角区可以直接判断GPS信号的质量。
为了检验这些仿真结果，射频和中频(IF)部分的性能被单独地给出。包括一个低噪声放大器(LAN)，两个I/Q混频器和一个带有驱动器的合成器的射频模组，作为一个单独的模块进行评估，其输入信号为1.575GHz，而输出为第一中频信号。表2概括了关键性能参数，而为了获得部分系统性能指标所用的整个GPS接收机作为一个完整模块如图10所示。
作者发现在分析和设计XPERT-GPS 射频设备过程中，ADS是一款强大的设计工具，其能在许多级别上帮助定义和检验下一代GPS接收机，从模块级仿真到系统级仿真，包括基带上的码恢复/相关。ADS使得人们能够GPS接收机设计中确定和研究关键参数的折衷。
除了一个较好的设计过程之外，该开发方法为设计人员和知识产权用户所提供的设计技术和折衷选择更加直观。设计工程师，产品研发人员以及系统集成商都能验证设计和知识产权是否满足需要，减少了推向市场的时间风险和成本。该芯片可以从美信集成产品公司购得，型号为MAX2741。
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