多射频前端卫星接收机实验平台研究

郭俊杰 杨新民

(南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏 南京 210094)

多射频前端卫星接收机实验平台研究

郭俊杰 杨新民

(南京理工大学瞬态物理国家重点实验室，江苏 南京 210094)

研究了一种多星座混合GPS、GLONASS和北斗二代的接收系统，同时接收多个星座的卫星信号进行导航处理，避免了单一星座的不足和安全漏洞。利用FPGA和DSP结合搭建一个实验平台，满足卫星信号的快速捕获和高动态的要求，为基带处理和导航解算软件提供了运行环境和硬件支持，最大限度地使用了硬件资源。最后通过对实验平台的验证，系统性能满足要求。

多射频前端；FPGA/DSP；多星座；接收机；多通道

（一）引言

目前，全球已投入运行的卫星导航定位系统主要有美国的GPS、俄罗斯的GL0NASS以及我国的北斗双星系统，欧盟的Galilea卫星导航系统也即将建设完成。卫星导航技术应用领域也在不断扩展，如卫星导航测姿、双频消除电离层/对流层误差、多星座融合等新研究方向得以快速发展。因此单一星座的接收机已经越来越不能够满足实验和精度的要求，能够实现多星座同时定位的接收机已经成为当今研究的热门课题。

本实验平台主要有Xilinx公司的XC3S1400AN型FPGA和TI公司的TMS320C6713B型DSP结合搭建而成。实验平台主要有多个射频前端、相关器、导航解算器、电源系统和外部接口等几个部分组成，具体结构如图1所示。

图1 多射频前端接收机硬件结构图

（二）多射频前端电路模块

1.射频前端结构的选择

这个模块用于同时处理多个星座的卫星信号，其中包括GPS信号，中心频率在 1575.42MHZ，GLONASS的频率段在1246~1257MHz和1602~1616MHz之间，而北斗二代的中心频率也在1.5GHz以上。通常射频前端分为超外差结构，低中频结构和零中频结构。而由于超外差结构复杂，电路设计繁琐，功耗大，在CMOS工艺下，零中频结构会将闪烁噪声引入系统，降低系统噪声性能。因此在本设计中多个射频前端都将选用低中频结构。

低中频结构也有以下问题需要考虑：（1）镜频干扰问题，为了抑制镜频干扰，普遍采用的方法是利用滤波器滤除镜像频率成份。但是由于该滤波器工作在高频频段，其滤波效果取决于镜频频率与信号频率之间的距离，或者说取决于中频频率的高低，因此，中频频率的适当选择是解决问题的关键。（2）镜像抑制问题, 低中频则采用典型的限频鉴频器从调制载波中提取信号，通常需要70dB的镜像抑制比，但往往片上集成只能达到 40 dB或更少。通常解决方法有以下两种，即在射频前端进行多相滤波和在基带子系统进行基带处理。后者抑制效果优于前者，但结构较复杂,通常以30 dB作为分隔点。综合整个设计来看，选择基带处理的方法抑制镜像。只要基带子系统能处理复信号，那么射频前端就可以用实滤波器实现。

图2 射频前端MAX2769硬件设计简图

2.射频前端滤波电路及信号串扰的防护

射频前端是卫星信号进入接收机的通道，三个星座的卫星信号的频率都比较高，卫星信号到达接收机时的功率已经十分微弱，信号深埋于噪声之中。因此有用信号的提取和传输都对信道提出了较高的要求。所选用的射频芯片外围也要求构建有效的滤波电路，对芯片内部模拟信号做出有益处理。对于射频前端的设计，要完成复杂的环境下提供稳定、无杂波、相对高增益的卫星信号，这就要求设计出合理有效的射频前端滤波电路。

射频前端GP2015是由MITEL公司提供的半导体集成电路芯片，需要设计出三级变频滤波器。第一级外置IF滤波器置于第一级混频器与第二级混频器之间，要求它能滤掉第二级IF在第一级IF的镜像频率104.58MHz。这个频率对应着在射频前端有1504.58MHz信号输入的状况。当然，这些射频的镜像频率在前面的射频滤波器和天线端也能被滤掉一部分，但是这一级滤波器能进一步滤除这些频率成分。

此滤波电路能够滤除位于混频输出的绝大多数的本振和射频信号。第二级IF滤波器对整个接收机的性能影响都比较大，所以采用性能比较好的专用滤波器。第三级滤波器已经集成在 GP2015内部，不用再设计滤波电路。而射频前端SE4110L和MAX2769都是集成度比较高的芯片，滤波器电路的设计十分简单。

图2 滤波器设计电路

3.射频前端阻抗的匹配

三个射频前端芯片都要求有阻抗匹配，需要进行匹配的电路包括天线和低噪声放大器（LNA）之间的匹配、功率放大器输出（RFOUT）与天线之间的匹配、LNA/VCO输出与混频器输入之间的匹配，这就能够保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”。如果阻抗匹配处理的不好，就会造成信号之间相互干扰以及多个射频前端之间的串扰。对射频电路部分元件布局要求也要非常严格，需要经过精心设计，出现很小的不合理的变动，都可能产生寄生振荡现象。出于同样的原因，连接这些元件的导线也需要精心安排，滤波器，放大器，晶振和射频信号输入电路之间要留有适当的空间，以实现相互隔离，保证系统的稳定性。

4.相关器与导航解算器

由FPGA组成的相关器主要用来对多个星座同时进行信号的处理，包括信号的捕获、跟踪锁定和解调解扩。信号通过天线进入接收机后，虽然经过了下变频和 A/D转换，但信号的组成形式依然没有发生变化，导航电文依然与伪码、载波混在一起。实现导航定位，就必须剥离伪码和载波，提取出导航电文，这也就是相关器需要完成的工作。导航解算器在整个接收机中具有重要的作用，它要完成导航信息解算，还要协调各个模块的工作流程以及各方面的资源，而且对数据处理的能力也要求非常高，选用TI公司的高性能、低功耗浮点型DSP芯片TMS320C6713B作为接收机系统的导航解算器。

导航解算器DSP的工作时钟源是外接的50MHz的有源晶振，通过DSP的PLL DIVDER 将时钟信号倍频到系统的工作频率200MHz，然后再分频给内部其它的模块。相关器和导航解算器之间的数据交互是通过DSP的EMIF端口与FPGA相连，将FPGA作为一个异步存储器来使用。根据DSP 6000系列的使用指南可知，相关器的片选信号选择为EMIF口的CE2，它的地址映射空间为 0xA0000000～0xAFFFFFFF。相关器 FPGA配置完成后将产生一个复位信号给DSP，然后DSP开始上电初始化。FPGA与DSP之间的布局布线也是一个不可忽略的问题，元器件的布局设计安排的不合理，会造成很大信号干扰。而相关器和导航解算器有众多的信号线要连接，所以在选择布线时，一定要合理分配相关器的读写信号、输出使能信号以及数据线和地址线。在本设计中选择FPGA的BANK1分配10根与DSP相连的地址线，选择BANK2和BANK0分配32根数据线。在具体的分配过程中，要根据FPGA和DSP的封装来设计走线，尽量将最近的引脚相连，同时兼顾周围的引脚线能够走通。DSP的有源晶振信号走线要尽量短，最后能够加地线保护。

在本设计中，相关器和导航解算器之间的数据交换方式要依据能够最大使用 DSP的工作效率来设定。二者之间的数据传输方向是相互的，DSP要给FPGA的控制返回信号，主要是给相关器的码环路和载波环路滤波器的相关值，用来控制相关器的码NCO和载波NCO，但是这部分的数据量不大。FPGA也要给DSP I、Q两路的超前、即时、滞后相关值，主要用来实现码跟踪和载波跟踪，这部分的数据量比较大。为了能够最大提高DSP的使用效率，要以中断的形式让CPU直接响应。中断的信号有两个，分别是100ms的测量中断和505us的累加中断，这两路中断可依据具体要求来调整。

（三）实验与分析

为了测试系统的性能，将设计的平台进行实验验证，看是否能满足多星座同时定位并进行定位精度的比较。因北斗二代的组网还处在测试阶段，所以选取GPS和GLONASS这两个星座的卫星信号作为接收机的接收信号并进行同时定位。实验设定接收机以速度为60km/h的速度沿直径为500m的轨道做重复的圆周运动，持续10圈。从实验所得的GPS数据和GLONASS数据可以看出二者10圈运动轨迹基本重合。同时和高精度的 JAVAD接收机的数据比较后可以发现，该实验平台性能稳定，可以对多个星座同时定位并且具有很高的定位精度。

（四）结束语

通过对该平台的实验可知，本文中所提出的多射频前端卫星接收机实验平台满足设计所提出的指标参数。在该平台的搭建过程中遇到的问题，通过分析也都找到了相应的解决办法。多射频前端卫星接收机实验平台能够更好地研究卫星导航测姿、多星座融合等问题，为今后更深入的研究提供了硬件平台和基础。

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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，南京理工大学瞬态物理国家重点实验室硕士研究生，研究方向为数字信号处理、GPS导航定位。