衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計(jì)

陜西凌云電器集團(tuán)有限公司 李海平 張二劍

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計(jì)

陜西凌云電器集團(tuán)有限公司 李海平 張二劍

本文提出一種衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)描述了各級(jí)電路的實(shí)現(xiàn)方法,該設(shè)計(jì)具有很高的實(shí)用性，可滿足衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備的測(cè)試需求

轉(zhuǎn)發(fā)器；射頻；天線

1.引言

衛(wèi)星導(dǎo)航是重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，為人類帶來巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。為滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的需要，我國(guó)研制組建了第二代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國(guó)正在實(shí)施的自制研發(fā)，完全獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并與GPS,GLONASS,GALOLEO一起成為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的迅速發(fā)展，促使大量的終端設(shè)備投入市場(chǎng)，為保障性能需在投入市場(chǎng)前進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試，而目前市面上兼容北斗信號(hào)的模擬器價(jià)格過于高昂，無法滿足終端設(shè)備的批量生產(chǎn)需求，本文提出一種北斗衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計(jì)方法，可部分替代精密模擬器，為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

2.系統(tǒng)組成和工作原理

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器主要是由室外GNSS接收天線、低損耗射頻電纜、室內(nèi)GNSS發(fā)射天線、轉(zhuǎn)發(fā)器主機(jī)四部分組成。原理框圖見圖1：

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)器原理框圖

射頻信號(hào)經(jīng)接收天線放大濾波后，送往轉(zhuǎn)發(fā)器主機(jī)完成信號(hào)接擴(kuò)和解調(diào)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)的定位功能檢查，同時(shí)將碼流和電文信息并重新調(diào)制和上變頻得到射頻信號(hào)，通過轉(zhuǎn)發(fā)器主機(jī)的射頻端口送往發(fā)射天線

3.主要功能和技術(shù)指標(biāo)

主要具備兩大功能,一是衛(wèi)星信號(hào)增強(qiáng)轉(zhuǎn)發(fā),二是自身定位檢查。轉(zhuǎn)發(fā)器接收BD2-B3/GPS的導(dǎo)航信號(hào),解調(diào)出碼流和電文信息并重新調(diào)制和上變頻得到射頻信號(hào),完成信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)功能,輸出信號(hào)電平可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整。

主要技術(shù)指標(biāo):轉(zhuǎn)發(fā)通道>32；轉(zhuǎn)發(fā)定位精度：水平〈10m,高程〈10m；輸入信號(hào)：-133dBm～-100dBm(BD2-B3/GPS)；輸出信號(hào)：-70dBm～-10dBm (BD2-B3/GPS )；數(shù)據(jù)接口為RS232串口（115.2Kbps）

4.設(shè)計(jì)方案

衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器在實(shí)際使用時(shí)，通常將接收天線架設(shè)在實(shí)驗(yàn)樓頂上，轉(zhuǎn)發(fā)器主機(jī)，GNSS發(fā)射天線和被測(cè)設(shè)備放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，兩者通過30米射頻電纜鏈接，因空中的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)極為微弱，為避免信號(hào)的繼續(xù)惡化，接收天線需采用低噪聲的有源天線設(shè)計(jì)，射頻電纜需采用低損耗設(shè)計(jì)，信號(hào)控制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收再轉(zhuǎn)發(fā)，提高發(fā)射信號(hào)頻譜質(zhì)量。

4.1 接收天線的設(shè)計(jì)

接收天線為衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器的射頻前段，其性能決定系統(tǒng)的優(yōu)劣，為降低設(shè)計(jì)難度和成本，采用深圳華穎的有源接收天線HYBGLRC08RT，內(nèi)部由天線，帶通濾波器，低噪聲放大器等組成。

技術(shù)指標(biāo)為：頻率范圍GPS L1/GLONASS G1/BEIDOU2 B3；Galileo；

天線軸比≤3dB；天線波束方位角：0o～360°；俯仰角：5o～90°；

電壓駐波比≤2；天線單元增益（Gain of Antenna）≥5dB；

相位中心誤差（Phase Center Error）≤2mm；

低噪放增益 (LNA Gain)：44dB±1.5dB；低噪放增益噪聲系數(shù)≤2dB；

低噪放電壓5VDC～10VDC

4.2 低損耗電纜

低損耗電纜采用MICAL公司的BO7系列射頻電纜，堅(jiān)韌耐用，損耗為0.25dB/m （2GHz）。

4.3 轉(zhuǎn)發(fā)器主機(jī)

轉(zhuǎn)發(fā)器主機(jī)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和核心，負(fù)責(zé)將接收的信號(hào)進(jìn)行濾波放大后，進(jìn)行下變頻送ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后解調(diào)，譯碼，再將譯碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，上變頻，生成高質(zhì)量的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，再通過發(fā)射天線發(fā)射出去，并為接收天線提供電源，電源模塊產(chǎn)生主機(jī)所需的各種電壓，電路框圖如圖2所示：

圖2 轉(zhuǎn)發(fā)器主機(jī)原理框圖

4.3.1 饋電盒設(shè)計(jì)

饋電盒采用mini-circuits公司的ZFBT-4.R2G-FT，為接收天線提供電源和射頻通路。

4.3.2 射頻模塊設(shè)計(jì)

射頻模塊包括接收和發(fā)射兩部分，原理框圖見圖3：

圖3 射頻模塊原理框圖

接收通道將射頻信號(hào)濾波放大后進(jìn)行下變頻生成中頻信號(hào)后送往基帶模塊，發(fā)射通道將基帶模塊的發(fā)射中頻信號(hào)進(jìn)行變頻發(fā)大再濾波后經(jīng)高隔離GP2S功分器后分成兩路，一路為GPS信號(hào)，一路為B3信號(hào)，GPS信號(hào)經(jīng)濾波放大后輸出，B3信號(hào)經(jīng)濾波放大后輸出，同時(shí)射頻模塊采用10MHz溫補(bǔ)晶振作為基準(zhǔn)，采用頻率合成器產(chǎn)生兩路本振信號(hào)和一路124MHz時(shí)鐘信號(hào)，電路之間通過穿心電容鏈接。

射頻模塊中的射頻濾波器選用GPS和北斗信號(hào)專用的體聲波濾波器，體積小，品質(zhì)因數(shù)高，溫度特型好，性能超過類似聲表面濾波器，而且可通過標(biāo)準(zhǔn)電路技術(shù)生產(chǎn)，極具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。中頻濾波器選用LC濾波器，不可選體聲波濾波器，因其中頻衰減大。

為避免信號(hào)之間相互干擾，在結(jié)構(gòu)上采取雙層腔體設(shè)計(jì)，接收通道，發(fā)射通道放在腔體的正面,同時(shí)將腔體的正面分成四個(gè)小腔,接收通道，發(fā)射通道的變頻放大電路，GPS信號(hào)和B3信號(hào)各占一腔，放置在腔體的背面，10MHz溫補(bǔ)晶振和本振信號(hào)和124MHz時(shí)鐘放在正面。

4.3.3 基帶模塊設(shè)計(jì)

基帶模塊負(fù)責(zé)信號(hào)處理，對(duì)射頻模塊的接收中頻信號(hào)進(jìn)行中頻放大和高速采樣，然后經(jīng)數(shù)字下變頻致零中頻，再經(jīng)低通濾波，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行解擴(kuò)和解調(diào)處理，獲得數(shù)據(jù)流；同時(shí)將解碼的信號(hào)重新進(jìn)行擴(kuò)頻處理，并數(shù)模轉(zhuǎn)換后生成數(shù)字中頻信號(hào)送往射頻模塊，基帶模塊以射頻模塊的124MHz時(shí)鐘信號(hào)作為時(shí)鐘信號(hào)。

4.3.4 衰減器

衰減器選用上海華湘公司的GKTS2-1-60-2.5-A1型可調(diào)衰減器，范圍0dB～60dB，步長(zhǎng)10dB，GPS信號(hào)和B3信號(hào)各用一路衰減器。

4.3.5 合成器

合成器將兩路信號(hào)GPS信號(hào)和B3信號(hào)分別放大濾波后再進(jìn)行功率合成，這部分電路采用分腔設(shè)計(jì)，電路需反復(fù)優(yōu)化，確保噪聲電平足夠小，放大器采用低噪聲高線性的放大器TQP3M9037，噪聲0.4dB，增益20dB，合成器采用mini-circuits公司的高隔離GP2S功分器，電路框圖見圖4。

圖4 合成器原理框圖

4.結(jié)論

本文介紹了一種北斗衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器的設(shè)計(jì)方法，并在實(shí)驗(yàn)室中開始使用，可滿足衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備的調(diào)試和篩選要求，隨著我國(guó)北斗二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)的不斷成熟，將具有較強(qiáng)的實(shí)用性和廣泛的應(yīng)用前景。

[1]陳邦嬡.射頻通信電路[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.

[2]謝剛.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì).北京:電子工業(yè)出版社,2009.

李海平（1976—），女，陜西寶雞人，工程師，陜西凌云電器集團(tuán)有限公司計(jì)量?jī)x表處計(jì)量師，主要從事無線電儀表計(jì)量及設(shè)計(jì)工作。