Galileo E1/GPS L1波段載波頻率的設計與實現

摘 要:Galileo/GPS偽衛星系統對載波頻率的性能有著很高的要求，提出了采用PLL技術和DDS技術結合應用的方法來設計Galileo/GPS高精度偽衛星頻率合成器的設計方案，E1/L1波段載波頻率經過二次混頻后輸出。混頻模塊通過ADS仿真，輸出的載波頻率能滿足系統雜散抑制指標。最后基于此頻率合成器方案制作PCB板且經過調試，E1/L1波段載波頻率的各項指標符合設計要求。關鍵詞:Galileo/GPS偽衛星; ADS; 雜散; 載波頻率; 混頻模塊

中圖分類號:TN911文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0085-03

Design and Realization of Carrier Frequency at Galileo E1/GPS L1 Band

LUO Wan-hui， ZHANG Fu-hong， ZHU Huai-huan

(School of Communication Engineering， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China)

Abstract: A design scheme that adopts PLL and DDS technologies to design Galileo/GPS high-precision pseudolite frequency synthesizer is proposed since Galileo/GPS pseudolite system has a very high demand to carrier frequancy. E1/L1 band carrier frequency is outputted after the second mixing. ADS simulation of mixing module indicates that the output carrier frequency can satisfy the stray suppression index of system. The PCB board was made according to the scheme of the frequency synthesizer and debugged. The testing results show that each index of E1/L1-band carrier frequency meets the design requirements.Keywords: Galileo/GPS pseudolite; ADS; stray suppression index;carrier frequency; mixing module

收稿日期:2010-03-23

0 引 言

Galileo計劃是由EC(歐盟委員會)和ESA(歐洲空間局)共同發起并組織實施的歐洲民用衛星導航計劃，旨在建立歐洲自主、獨立的民用全球衛星導航定位系統，它與國際上現有的全球衛星導航定位系統相比，具有更佳的覆蓋率和更高的精度和可靠性，并且能夠與其他兩個導航系統——GPS和GLONASS兼容[1]。

根據Galileo/GPS高精度偽衛星的功能需求，本文給出的頻率合成器需要合成Galileo E1，Galileo E5，GPS L1三個波段的載波、子載波參考時鐘、偽碼參考時鐘和DAC參考時鐘，其中Galileo的E1和GPS的L1中心頻率重疊，使其在一個寬頻帶內有最大的兼容性和共用性，在這種寬帶溢出并重疊應用下，它能保證精密的電離層補償。E1~L1段信號中心頻率為1 575.42 MHz(能夠模擬高動態情形下的多普勒頻移)

1 頻率合成器總體方案介紹

本文的頻率合成器要求頻率較高，且模擬多普勒頻移時需要很高的頻率分辨率和快速的頻率跳變，如果單獨采用鎖相環來完成，為得到高的頻率分辨率，則必然需要很大的N值，這不利于低相噪、低雜散的目的。

DDS與PLL組合[2]在一起應用，既能利用DDS極高的頻率分辨率來改進頻率的步進間隔，也能利用PLL來輸出很高的頻率。這樣用DDS與PLL組合方案實現的頻率合成系統可以獲得高的頻率分辨率、快速頻率轉換時間以及很高的頻率。本文中采用DDS芯片AD9959[3]與PLL芯片ADF4111[4]，CDCM7005[5]結合的方法合成各波段載波。Galileo E1，GPS L1的載波頻率為1 575.42 MHz，Galileo E5的載波頻率為1 191.794 MHz。對于Galileo E1，GPS L1波段，DDS合成頻率為75.42 MHz的信號。第一級混頻時三個波段的本振信號頻率均為500 MHz，由于混頻后頻率較接近，采用同一個濾波器取其和頻，并通過一個單刀雙擲模擬開關分為兩路分別進行第二級混頻。Galileo E1，GPS L1波段第二級混頻的本振信號頻率為1 000 MHz，并分別用帶通介質濾波器取其和頻。頻率合成器的總體設計方案如圖1所示。

圖1 頻率合成器總體方案框圖

2 混頻模塊設計與仿真

2.1 混頻模塊框圖介紹

混頻模塊主要完成載波合成中DDS輸出信號和PLL輸出信號的混頻，最終輸出 Galileo E1/GPS L1波段信號載波頻率。該模塊涉及到濾波器、混頻器、放大器等射頻微波器件，并且工作頻率在GHz以上，設計復雜度很高，本文采用ADS(Advanced Design System)[6]軟件工具輔助設計。混頻模塊實現框圖如圖2所示。

圖2 混頻模塊框圖

圖2中fDDS為AD9959的CH0輸出，其頻率由CPLD發送的頻率控制字確定，在Galileo E1/L1波段輸出頻率為75.42 MHz，經濾波器(LPF3)濾波后作為混頻器1的IF端輸入信號。fPLL1為CDCM7005 Y1通道的輸出，其頻率為500 MHz，經放大器放大后作為混頻器1的LO端輸入信號。濾波器(BPF)用于取出混頻1產生的和頻信號，濾去其他組合頻率。

Galileo E1/GPS L1波段載波合成的第二級混頻通路，fPLL2為CDCM7005 Y0通道輸出的1 000 MHz信號，它經過放大器放大后作為混頻2的本振信號，混頻器2的輸出經放大器放大后再通過介質濾波器取出和頻，最后的輸出即為Galileo E1/GPS L1波段載波信號。

2.2 混頻模塊ADS仿真

在仿真過程中，對各個芯片以及其他射頻微波器件按照實際芯片的參數建立ADS中的模塊互聯，如圖3所示。

圖3 Galileo E1/GPS L1波段混頻ADS 仿真鏈路

對于第一級混頻，當混頻器1 的IF 端輸入信號為75 MHz時，在ADS 仿真得到輸出信號的諧波情況如圖4所示。

圖4 一次混頻后諧波抑制的ADS仿真

干擾較大的諧波為第二級混頻本振泄漏，因此在選擇第二級混頻的混頻器時，需要特別注意混頻器各端口間的隔離度，盡可能選擇隔離度大的器件。

第二級混頻最終需要得到的信號是作為基帶板的正交調制器TRF370333[7]的載波，其對電平的要求為-10~+12 dBm，信號雜波抑制大于60 dBc。因此混頻后的信號還需要再經過放大器放大到所需電平并作濾波處理。介質濾波器DF1575S40C各個參數值均能滿足對諧波抑制的需要，用ADS 仿真得到濾波后的雜散情況如圖5所示，輸出載波功率1.845 dBm，雜散抑制大于100 dBc，滿足指標要求。

圖5 Galileo E1/GPS L1 波段載波雜散仿真結果

3 E1/L1波段載波頻率測試結果分析

在Galileo E1/GPS L1高精度偽衛星系統中，對頻率合成器的載波輸出提出了較高的指標要求:載波的準確度要求是中心頻率偏移小于80 Hz，短期頻率穩定度要求是中心頻率的抖動范圍小于5 Hz，相位噪聲要求小于-70 dBc/Hz@100 Hz，-80 dBc/Hz@1 kHz，-90 dBc/Hz@10 kHz，-100 dBc/Hz@100 kHz。

3.1 E1/L1波段載波頻率相噪測試

相位噪聲是影響頻率合成器性能的重要指標[8]，可用專用的測試設備或頻譜分析儀來測量，由于實驗室條件限制，本文的相位噪聲是采用頻譜儀來測得的，通過測量載波功率P(f0)和偏離載波fm處的相位噪聲功率P(fm)，再利用式(1)計算[9]:



L(fm)=P(fm)-P(f0)-10log(RBW)+2.5(1)



式中:L(fm)表示偏離載波fm處在1 Hz帶寬內的相對相位噪聲電平，單位為dBc/Hz;RBW(Res BW)表示頻譜儀濾波器的3 dB帶寬，單位為Hz;2.5 dB表示頻譜儀的修正因子。采用這種測量方法，首先測量平均后的偏離載波(1 575.42 MHz)為100 Hz，1 kHz，10 kHz，100 kHz處的相位噪聲功率和載波功率的比，如表1所示。

表1 E1/L1波段載波相位噪聲測試結果

頻偏相位噪聲 /dBc/Hz

100 Hz-72.75

1 kHz-80.94

10 kHz-99.45

100 kHz-109.35

從表1中看出，E1/L1波段載波相位噪聲符合設計要求。

3.2 短期頻率穩定度測試

頻率的短期頻率穩定度[10]則是指在秒或秒以下的時間范圍內的相對頻率變化量。由于多普勒頻移的處理在衛星的周期之間進行，因此短期頻率穩定度在衛星導航等應用中影響很大，接收機對偽衛星載波的短期頻率穩定度提出了極高的要求，為使偽衛星的調制信號能被接收機成功解調，載波信號必須具有很高的頻率穩定度。使用安捷倫E4445A頻譜分析儀的Signal Trace跟蹤功能測試Galileo E1波段載波。當采用10 MHz晶振作為頻率源時，合成1 575.42 MHz載波信號在±10 Hz內發生抖動;采用安捷倫E4438C信號發生器產生的10 MHz信號作為頻率源時，載波中心頻率的抖動范圍降低為1 Hz，如圖6所示。

采用10 MHz原子鐘作為頻率源時，在頻譜儀中沒有發現載波中心頻率的抖動。由此可知，由于參考源10 MHz晶振的穩定性能不高，從而引起了最終合成的載波中心頻率的抖動。

圖6 E1波段載波短期頻率穩定度測試

4 結 語

結合PLL技術和DDS技術，設計了Galileo/GPS 高精度偽衛星頻率合成器，給出了E1/L1波段信號載波頻率的設計方案和測試結果。該頻率合成器對頻率穩定度、頻率分辨率、頻率捷變能力要求很高，本文在方案設計和器件選用方面充分考慮了這一特點，并采用先進的射頻/微波仿真軟件ADS輔助設計，降低了設計的成本和周期。

參考文獻

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