多射頻前端衛星接收機實驗平臺研究

郭俊杰 楊新民

(南京理工大學瞬態物理國家重點實驗室，江蘇 南京 210094)

多射頻前端衛星接收機實驗平臺研究

郭俊杰 楊新民

(南京理工大學瞬態物理國家重點實驗室，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，同時接收多個星座的衛星信號進行導航處理，避免了單一星座的不足和安全漏洞。利用FPGA和DSP結合搭建一個實驗平臺，滿足衛星信號的快速捕獲和高動態的要求，為基帶處理和導航解算軟件提供了運行環境和硬件支持，最大限度地使用了硬件資源。最后通過對實驗平臺的驗證，系統性能滿足要求。

多射頻前端；FPGA/DSP；多星座；接收機；多通道

（一）引言

目前，全球已投入運行的衛星導航定位系統主要有美國的GPS、俄羅斯的GL0NASS以及我國的北斗雙星系統，歐盟的Galilea衛星導航系統也即將建設完成。衛星導航技術應用領域也在不斷擴展，如衛星導航測姿、雙頻消除電離層/對流層誤差、多星座融合等新研究方向得以快速發展。因此單一星座的接收機已經越來越不能夠滿足實驗和精度的要求，能夠實現多星座同時定位的接收機已經成為當今研究的熱門課題。

本實驗平臺主要有Xilinx公司的XC3S1400AN型FPGA和TI公司的TMS320C6713B型DSP結合搭建而成。實驗平臺主要有多個射頻前端、相關器、導航解算器、電源系統和外部接口等幾個部分組成，具體結構如圖1所示。

圖1 多射頻前端接收機硬件結構圖

（二）多射頻前端電路模塊

1.射頻前端結構的選擇

這個模塊用于同時處理多個星座的衛星信號，其中包括GPS信號，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構，低中頻結構和零中頻結構。而由于超外差結構復雜，電路設計繁瑣，功耗大，在CMOS工藝下，零中頻結構會將閃爍噪聲引入系統，降低系統噪聲性能。因此在本設計中多個射頻前端都將選用低中頻結構。

低中頻結構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，中頻頻率的適當選擇是解決問題的關鍵。（2）鏡像抑制問題, 低中頻則采用典型的限頻鑒頻器從調制載波中提取信號，通常需要70dB的鏡像抑制比，但往往片上集成只能達到 40 dB或更少。通常解決方法有以下兩種，即在射頻前端進行多相濾波和在基帶子系統進行基帶處理。后者抑制效果優于前者，但結構較復雜,通常以30 dB作為分隔點。綜合整個設計來看，選擇基帶處理的方法抑制鏡像。只要基帶子系統能處理復信號，那么射頻前端就可以用實濾波器實現。

圖2 射頻前端MAX2769硬件設計簡圖

2.射頻前端濾波電路及信號串擾的防護

射頻前端是衛星信號進入接收機的通道，三個星座的衛星信號的頻率都比較高，衛星信號到達接收機時的功率已經十分微弱，信號深埋于噪聲之中。因此有用信號的提取和傳輸都對信道提出了較高的要求。所選用的射頻芯片外圍也要求構建有效的濾波電路，對芯片內部模擬信號做出有益處理。對于射頻前端的設計，要完成復雜的環境下提供穩定、無雜波、相對高增益的衛星信號，這就要求設計出合理有效的射頻前端濾波電路。

射頻前端GP2015是由MITEL公司提供的半導體集成電路芯片，需要設計出三級變頻濾波器。第一級外置IF濾波器置于第一級混頻器與第二級混頻器之間，要求它能濾掉第二級IF在第一級IF的鏡像頻率104.58MHz。這個頻率對應著在射頻前端有1504.58MHz信號輸入的狀況。當然，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，但是這一級濾波器能進一步濾除這些頻率成分。

此濾波電路能夠濾除位于混頻輸出的絕大多數的本振和射頻信號。第二級IF濾波器對整個接收機的性能影響都比較大，所以采用性能比較好的專用濾波器。第三級濾波器已經集成在 GP2015內部，不用再設計濾波電路。而射頻前端SE4110L和MAX2769都是集成度比較高的芯片，濾波器電路的設計十分簡單。

圖2 濾波器設計電路

3.射頻前端阻抗的匹配

三個射頻前端芯片都要求有阻抗匹配，需要進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，這就能夠保證信號或能量有效地從“信號源”傳送到“負載”。如果阻抗匹配處理的不好，就會造成信號之間相互干擾以及多個射頻前端之間的串擾。對射頻電路部分元件布局要求也要非常嚴格，需要經過精心設計，出現很小的不合理的變動，都可能產生寄生振蕩現象。出于同樣的原因，連接這些元件的導線也需要精心安排，濾波器，放大器，晶振和射頻信號輸入電路之間要留有適當的空間，以實現相互隔離，保證系統的穩定性。

4.相關器與導航解算器

由FPGA組成的相關器主要用來對多個星座同時進行信號的處理，包括信號的捕獲、跟蹤鎖定和解調解擴。信號通過天線進入接收機后，雖然經過了下變頻和 A/D轉換，但信號的組成形式依然沒有發生變化，導航電文依然與偽碼、載波混在一起。實現導航定位，就必須剝離偽碼和載波，提取出導航電文，這也就是相關器需要完成的工作。導航解算器在整個接收機中具有重要的作用，它要完成導航信息解算，還要協調各個模塊的工作流程以及各方面的資源，而且對數據處理的能力也要求非常高，選用TI公司的高性能、低功耗浮點型DSP芯片TMS320C6713B作為接收機系統的導航解算器。

導航解算器DSP的工作時鐘源是外接的50MHz的有源晶振，通過DSP的PLL DIVDER 將時鐘信號倍頻到系統的工作頻率200MHz，然后再分頻給內部其它的模塊。相關器和導航解算器之間的數據交互是通過DSP的EMIF端口與FPGA相連，將FPGA作為一個異步存儲器來使用。根據DSP 6000系列的使用指南可知，相關器的片選信號選擇為EMIF口的CE2，它的地址映射空間為 0xA0000000～0xAFFFFFFF。相關器 FPGA配置完成后將產生一個復位信號給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不可忽略的問題，元器件的布局設計安排的不合理，會造成很大信號干擾。而相關器和導航解算器有眾多的信號線要連接，所以在選擇布線時，一定要合理分配相關器的讀寫信號、輸出使能信號以及數據線和地址線。在本設計中選擇FPGA的BANK1分配10根與DSP相連的地址線，選擇BANK2和BANK0分配32根數據線。在具體的分配過程中，要根據FPGA和DSP的封裝來設計走線，盡量將最近的引腳相連，同時兼顧周圍的引腳線能夠走通。DSP的有源晶振信號走線要盡量短，最后能夠加地線保護。

在本設計中，相關器和導航解算器之間的數據交換方式要依據能夠最大使用 DSP的工作效率來設定。二者之間的數據傳輸方向是相互的，DSP要給FPGA的控制返回信號，主要是給相關器的碼環路和載波環路濾波器的相關值，用來控制相關器的碼NCO和載波NCO，但是這部分的數據量不大。FPGA也要給DSP I、Q兩路的超前、即時、滯后相關值，主要用來實現碼跟蹤和載波跟蹤，這部分的數據量比較大。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。中斷的信號有兩個，分別是100ms的測量中斷和505us的累加中斷，這兩路中斷可依據具體要求來調整。

（三）實驗與分析

為了測試系統的性能，將設計的平臺進行實驗驗證，看是否能滿足多星座同時定位并進行定位精度的比較。因北斗二代的組網還處在測試階段，所以選取GPS和GLONASS這兩個星座的衛星信號作為接收機的接收信號并進行同時定位。實驗設定接收機以速度為60km/h的速度沿直徑為500m的軌道做重復的圓周運動，持續10圈。從實驗所得的GPS數據和GLONASS數據可以看出二者10圈運動軌跡基本重合。同時和高精度的 JAVAD接收機的數據比較后可以發現，該實驗平臺性能穩定，可以對多個星座同時定位并且具有很高的定位精度。

（四）結束語

通過對該平臺的實驗可知，本文中所提出的多射頻前端衛星接收機實驗平臺滿足設計所提出的指標參數。在該平臺的搭建過程中遇到的問題，通過分析也都找到了相應的解決辦法。多射頻前端衛星接收機實驗平臺能夠更好地研究衛星導航測姿、多星座融合等問題，為今后更深入的研究提供了硬件平臺和基礎。

[1] Elliott D.Kaplan.GPS原理與應用(第二版)[M].北京:電子工業出版社,2008.

[2] 江思敏,唐廣芝.PCB和電磁兼容設計[M].機械工業出版社,2008.5.

[3] 謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京.電子工業出版社,2009.7.

[4] 楊東凱,張飛舟.軟件定義的GPS和伽利略接收機[M].北京:國防工業出版社,2009.

[5] 白明明.基于DSP-FPGA構架的彈載GPS接收機的研究與實現[J].南京理工大學.碩士論文.2010.6.

TP311

A

1008-1151(2011)05-0056-02

2011-02-24

郭俊杰（1987－），男，河南汝南人，南京理工大學瞬態物理國家重點實驗室碩士研究生，研究方向為數字信號處理、GPS導航定位。