多射頻前端衛(wèi)星接收機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究

郭俊杰 楊新民

(南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

多射頻前端衛(wèi)星接收機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究

郭俊杰 楊新民

(南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094)

研究了一種多星座混合GPS、GLONASS和北斗二代的接收系統(tǒng)，同時(shí)接收多個(gè)星座的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航處理，避免了單一星座的不足和安全漏洞。利用FPGA和DSP結(jié)合搭建一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，滿足衛(wèi)星信號(hào)的快速捕獲和高動(dòng)態(tài)的要求，為基帶處理和導(dǎo)航解算軟件提供了運(yùn)行環(huán)境和硬件支持，最大限度地使用了硬件資源。最后通過對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的驗(yàn)證，系統(tǒng)性能滿足要求。

多射頻前端；FPGA/DSP；多星座；接收機(jī)；多通道

（一）引言

目前，全球已投入運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要有美國(guó)的GPS、俄羅斯的GL0NASS以及我國(guó)的北斗雙星系統(tǒng)，歐盟的Galilea衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也即將建設(shè)完成。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展，如衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)姿、雙頻消除電離層/對(duì)流層誤差、多星座融合等新研究方向得以快速發(fā)展。因此單一星座的接收機(jī)已經(jīng)越來越不能夠滿足實(shí)驗(yàn)和精度的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)多星座同時(shí)定位的接收機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)今研究的熱門課題。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要有Xilinx公司的XC3S1400AN型FPGA和TI公司的TMS320C6713B型DSP結(jié)合搭建而成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要有多個(gè)射頻前端、相關(guān)器、導(dǎo)航解算器、電源系統(tǒng)和外部接口等幾個(gè)部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多射頻前端接收機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

（二）多射頻前端電路模塊

1.射頻前端結(jié)構(gòu)的選擇

這個(gè)模塊用于同時(shí)處理多個(gè)星座的衛(wèi)星信號(hào)，其中包括GPS信號(hào)，中心頻率在 1575.42MHZ，GLONASS的頻率段在1246~1257MHz和1602~1616MHz之間，而北斗二代的中心頻率也在1.5GHz以上。通常射頻前端分為超外差結(jié)構(gòu)，低中頻結(jié)構(gòu)和零中頻結(jié)構(gòu)。而由于超外差結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電路設(shè)計(jì)繁瑣，功耗大，在CMOS工藝下，零中頻結(jié)構(gòu)會(huì)將閃爍噪聲引入系統(tǒng)，降低系統(tǒng)噪聲性能。因此在本設(shè)計(jì)中多個(gè)射頻前端都將選用低中頻結(jié)構(gòu)。

低中頻結(jié)構(gòu)也有以下問題需要考慮：（1）鏡頻干擾問題，為了抑制鏡頻干擾，普遍采用的方法是利用濾波器濾除鏡像頻率成份。但是由于該濾波器工作在高頻頻段，其濾波效果取決于鏡頻頻率與信號(hào)頻率之間的距離，或者說取決于中頻頻率的高低，因此，中頻頻率的適當(dāng)選擇是解決問題的關(guān)鍵。（2）鏡像抑制問題, 低中頻則采用典型的限頻鑒頻器從調(diào)制載波中提取信號(hào)，通常需要70dB的鏡像抑制比，但往往片上集成只能達(dá)到 40 dB或更少。通常解決方法有以下兩種，即在射頻前端進(jìn)行多相濾波和在基帶子系統(tǒng)進(jìn)行基帶處理。后者抑制效果優(yōu)于前者，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,通常以30 dB作為分隔點(diǎn)。綜合整個(gè)設(shè)計(jì)來看，選擇基帶處理的方法抑制鏡像。只要基帶子系統(tǒng)能處理復(fù)信號(hào)，那么射頻前端就可以用實(shí)濾波器實(shí)現(xiàn)。

圖2 射頻前端MAX2769硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

2.射頻前端濾波電路及信號(hào)串?dāng)_的防護(hù)

射頻前端是衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)的通道，三個(gè)星座的衛(wèi)星信號(hào)的頻率都比較高，衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)的功率已經(jīng)十分微弱，信號(hào)深埋于噪聲之中。因此有用信號(hào)的提取和傳輸都對(duì)信道提出了較高的要求。所選用的射頻芯片外圍也要求構(gòu)建有效的濾波電路，對(duì)芯片內(nèi)部模擬信號(hào)做出有益處理。對(duì)于射頻前端的設(shè)計(jì)，要完成復(fù)雜的環(huán)境下提供穩(wěn)定、無雜波、相對(duì)高增益的衛(wèi)星信號(hào)，這就要求設(shè)計(jì)出合理有效的射頻前端濾波電路。

射頻前端GP2015是由MITEL公司提供的半導(dǎo)體集成電路芯片，需要設(shè)計(jì)出三級(jí)變頻濾波器。第一級(jí)外置IF濾波器置于第一級(jí)混頻器與第二級(jí)混頻器之間，要求它能濾掉第二級(jí)IF在第一級(jí)IF的鏡像頻率104.58MHz。這個(gè)頻率對(duì)應(yīng)著在射頻前端有1504.58MHz信號(hào)輸入的狀況。當(dāng)然，這些射頻的鏡像頻率在前面的射頻濾波器和天線端也能被濾掉一部分，但是這一級(jí)濾波器能進(jìn)一步濾除這些頻率成分。

此濾波電路能夠?yàn)V除位于混頻輸出的絕大多數(shù)的本振和射頻信號(hào)。第二級(jí)IF濾波器對(duì)整個(gè)接收機(jī)的性能影響都比較大，所以采用性能比較好的專用濾波器。第三級(jí)濾波器已經(jīng)集成在 GP2015內(nèi)部，不用再設(shè)計(jì)濾波電路。而射頻前端SE4110L和MAX2769都是集成度比較高的芯片，濾波器電路的設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)單。

圖2 濾波器設(shè)計(jì)電路

3.射頻前端阻抗的匹配

三個(gè)射頻前端芯片都要求有阻抗匹配，需要進(jìn)行匹配的電路包括天線和低噪聲放大器（LNA）之間的匹配、功率放大器輸出（RFOUT）與天線之間的匹配、LNA/VCO輸出與混頻器輸入之間的匹配，這就能夠保證信號(hào)或能量有效地從“信號(hào)源”傳送到“負(fù)載”。如果阻抗匹配處理的不好，就會(huì)造成信號(hào)之間相互干擾以及多個(gè)射頻前端之間的串?dāng)_。對(duì)射頻電路部分元件布局要求也要非常嚴(yán)格，需要經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，出現(xiàn)很小的不合理的變動(dòng)，都可能產(chǎn)生寄生振蕩現(xiàn)象。出于同樣的原因，連接這些元件的導(dǎo)線也需要精心安排，濾波器，放大器，晶振和射頻信號(hào)輸入電路之間要留有適當(dāng)?shù)目臻g，以實(shí)現(xiàn)相互隔離，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.相關(guān)器與導(dǎo)航解算器

由FPGA組成的相關(guān)器主要用來對(duì)多個(gè)星座同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的處理，包括信號(hào)的捕獲、跟蹤鎖定和解調(diào)解擴(kuò)。信號(hào)通過天線進(jìn)入接收機(jī)后，雖然經(jīng)過了下變頻和 A/D轉(zhuǎn)換，但信號(hào)的組成形式依然沒有發(fā)生變化，導(dǎo)航電文依然與偽碼、載波混在一起。實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位，就必須剝離偽碼和載波，提取出導(dǎo)航電文，這也就是相關(guān)器需要完成的工作。導(dǎo)航解算器在整個(gè)接收機(jī)中具有重要的作用，它要完成導(dǎo)航信息解算，還要協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作流程以及各方面的資源，而且對(duì)數(shù)據(jù)處理的能力也要求非常高，選用TI公司的高性能、低功耗浮點(diǎn)型DSP芯片TMS320C6713B作為接收機(jī)系統(tǒng)的導(dǎo)航解算器。

導(dǎo)航解算器DSP的工作時(shí)鐘源是外接的50MHz的有源晶振，通過DSP的PLL DIVDER 將時(shí)鐘信號(hào)倍頻到系統(tǒng)的工作頻率200MHz，然后再分頻給內(nèi)部其它的模塊。相關(guān)器和導(dǎo)航解算器之間的數(shù)據(jù)交互是通過DSP的EMIF端口與FPGA相連，將FPGA作為一個(gè)異步存儲(chǔ)器來使用。根據(jù)DSP 6000系列的使用指南可知，相關(guān)器的片選信號(hào)選擇為EMIF口的CE2，它的地址映射空間為 0xA0000000～0xAFFFFFFF。相關(guān)器 FPGA配置完成后將產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)給DSP，然后DSP開始上電初始化。FPGA與DSP之間的布局布線也是一個(gè)不可忽略的問題，元器件的布局設(shè)計(jì)安排的不合理，會(huì)造成很大信號(hào)干擾。而相關(guān)器和導(dǎo)航解算器有眾多的信號(hào)線要連接，所以在選擇布線時(shí)，一定要合理分配相關(guān)器的讀寫信號(hào)、輸出使能信號(hào)以及數(shù)據(jù)線和地址線。在本設(shè)計(jì)中選擇FPGA的BANK1分配10根與DSP相連的地址線，選擇BANK2和BANK0分配32根數(shù)據(jù)線。在具體的分配過程中，要根據(jù)FPGA和DSP的封裝來設(shè)計(jì)走線，盡量將最近的引腳相連，同時(shí)兼顧周圍的引腳線能夠走通。DSP的有源晶振信號(hào)走線要盡量短，最后能夠加地線保護(hù)。

在本設(shè)計(jì)中，相關(guān)器和導(dǎo)航解算器之間的數(shù)據(jù)交換方式要依據(jù)能夠最大使用 DSP的工作效率來設(shè)定。二者之間的數(shù)據(jù)傳輸方向是相互的，DSP要給FPGA的控制返回信號(hào)，主要是給相關(guān)器的碼環(huán)路和載波環(huán)路濾波器的相關(guān)值，用來控制相關(guān)器的碼NCO和載波NCO，但是這部分的數(shù)據(jù)量不大。FPGA也要給DSP I、Q兩路的超前、即時(shí)、滯后相關(guān)值，主要用來實(shí)現(xiàn)碼跟蹤和載波跟蹤，這部分的數(shù)據(jù)量比較大。為了能夠最大提高DSP的使用效率，要以中斷的形式讓CPU直接響應(yīng)。中斷的信號(hào)有兩個(gè)，分別是100ms的測(cè)量中斷和505us的累加中斷，這兩路中斷可依據(jù)具體要求來調(diào)整。

（三）實(shí)驗(yàn)與分析

為了測(cè)試系統(tǒng)的性能，將設(shè)計(jì)的平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，看是否能滿足多星座同時(shí)定位并進(jìn)行定位精度的比較。因北斗二代的組網(wǎng)還處在測(cè)試階段，所以選取GPS和GLONASS這兩個(gè)星座的衛(wèi)星信號(hào)作為接收機(jī)的接收信號(hào)并進(jìn)行同時(shí)定位。實(shí)驗(yàn)設(shè)定接收機(jī)以速度為60km/h的速度沿直徑為500m的軌道做重復(fù)的圓周運(yùn)動(dòng)，持續(xù)10圈。從實(shí)驗(yàn)所得的GPS數(shù)據(jù)和GLONASS數(shù)據(jù)可以看出二者10圈運(yùn)動(dòng)軌跡基本重合。同時(shí)和高精度的 JAVAD接收機(jī)的數(shù)據(jù)比較后可以發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)性能穩(wěn)定，可以對(duì)多個(gè)星座同時(shí)定位并且具有很高的定位精度。

（四）結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)該平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)可知，本文中所提出的多射頻前端衛(wèi)星接收機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)滿足設(shè)計(jì)所提出的指標(biāo)參數(shù)。在該平臺(tái)的搭建過程中遇到的問題，通過分析也都找到了相應(yīng)的解決辦法。多射頻前端衛(wèi)星接收機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠更好地研究衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)姿、多星座融合等問題，為今后更深入的研究提供了硬件平臺(tái)和基礎(chǔ)。

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TP311

A

1008-1151(2011)05-0056-02

2011-02-24

郭俊杰（1987－），男，河南汝南人，南京理工大學(xué)瞬態(tài)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理、GPS導(dǎo)航定位。