GLONASS衛(wèi)星L1信號接收機(jī)的設(shè)計

王浩杰，姚 楠，曾連蓀

（上海海事大學(xué) 上海 201306）

隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展，現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)不知不覺地走入了我們的生活當(dāng)中。智能手機(jī)、車載導(dǎo)航儀的普及和廣泛應(yīng)用都促使導(dǎo)航定位進(jìn)入一個高速發(fā)展時期。

“格洛納斯GLONASS”是俄語中 “全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”的縮寫。與美國GPS系統(tǒng)、歐洲伽利略全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一起被全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)國際委員會確定為四大核心供應(yīng)商。格洛納斯計劃啟動于1976年的蘇聯(lián)，期間因為蘇聯(lián)解體和資金緊缺計劃被擱置。21世紀(jì)初隨著俄羅斯經(jīng)濟(jì)的好轉(zhuǎn)，格洛納斯也開始恢復(fù)元氣，俄羅斯聯(lián)邦太空署宣布于2011年1月1日在格洛納斯在全球范圍內(nèi)正式運行。現(xiàn)而今，應(yīng)用GLONASS和GPS雙定位系統(tǒng)的智能手機(jī)，如iPhone 5、Nokia Lumia 920等商用產(chǎn)品已經(jīng)大量問世，使得格洛納斯的應(yīng)用進(jìn)入了一個黃金時期，對其研究顯得更有實用價值。

為了使GLONASS的定位功能在民用領(lǐng)域得到更廣泛的運用，本文在需求分析的基礎(chǔ)上，針對L1信號，提出并設(shè)計了一種衛(wèi)星信號的處理電路。

1 GLONASS的信號體制與導(dǎo)航電文

同GPS一樣，GLONASS衛(wèi)星也發(fā)射L1、L2兩個子載波帶的導(dǎo)航信號，并在載波調(diào)制上采用二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）。所不同的是，GLONASS采用的是FDMA技術(shù)而不是GPS的CDMA技術(shù)。所以按照GLONASS的初始設(shè)計，每顆衛(wèi)星的載波頻率是互不相同的，設(shè)計如下[1]其 中 ：fL1=1 602 MHz，Δf1=0.562 5 MHz；fL2=1 246 MHz，Δf2=0.437 5 MHz。系數(shù)K的取值范圍為-7～13，即信號的通頻帶為：

L1調(diào)制的信號有：偽隨機(jī)測距碼（PR）、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、100 Hz輔助的明德碼序列（meander）。L2載波上調(diào)制的信號有：偽隨機(jī)測距碼（PR）、100 Hz輔助的明德碼序列。一般民用用戶只處理L1信號，故以下設(shè)計根據(jù)只涉及L1信號的處理。

2 總體設(shè)計

衛(wèi)星信號接收機(jī)一般采用數(shù)字接收機(jī)。所謂數(shù)字接收機(jī)就是直接在射頻或中品對接收信號進(jìn)行數(shù)字采樣，中頻直接采樣時用一路混頻與A/D采樣電路對模擬信號進(jìn)行數(shù)字化，然后用數(shù)字濾波方法分離出I、Q兩路數(shù)字基帶信號，再通過數(shù)字處理器對數(shù)字基帶信號，再通過數(shù)字處理器對數(shù)字基帶信號進(jìn)行處理。

圖1 接收機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖[3]Fig.1 The overall structure of the receiver system

GLONASS的L1信號的中心頻率為1 602 MHz，因此，天線的選擇上應(yīng)該選用寬帶中心為1.6 MHz的天線以節(jié)省成本。在初級放大信號環(huán)節(jié)，我們選取了Philips公司的微波集成電路放大器BGA2001，根據(jù)BGA2001的性能，單級BGA2001的放大器小于20 dB，為了得到令人滿意的增益，我們在放大模塊中采用多級放大。GLONASS的L1信號介于1 598.062 5 MHz

圖2 TA0676A的頻率特性Fig.2 Frequency Characteristics of TA0676A

在高頻信號放大之后，需要使用下變頻器解調(diào)來自天線的高達(dá)1.6 GHz的射頻信號。其原理就是相干解調(diào)，去掉調(diào)制信號中的載頻，將信號編導(dǎo)零中頻。

一個載頻為 ωc的實調(diào)制信號可以表示為:X （t）=a（t）cos[ωct+θ（t）]，則其復(fù)信號解析式為：Z（t）=a（t）cos[ωct+θ（t）]+ja（t）sin[ωct+θ（t）]，其中 a（t）表示順時包絡(luò)，φ（t）=ωc（t）+θ（t）表示信號的瞬時相位，而 w（t）=dφ（t）/dt=wct+θ（t）表示信號的瞬時角頻率。各種調(diào)制方式的信號調(diào)制信息都包含在這3個特征量中。經(jīng)正交解調(diào)后得到的零中頻信號（基帶信號）為：ZB（t）=a（t）cosθ（t）+ja（t）sinθ（t）=ZBI（t）+jZBQ（t），式中 ZθI（t）=a（t）cosθ（t），ZBQ（t）=a（t）sinθ（t），分別為基帶信號中的同相分量和正交分量，或稱I路分量和Q路分量[2]。

這部分的關(guān)鍵是在于產(chǎn)生一個穩(wěn)定的相干載波。用直接調(diào)頻法，優(yōu)點是實現(xiàn)方便，調(diào)制信號直接控制正弦波振蕩器的頻率，使其隨調(diào)制信號作線性變化，可以獲得較大的頻偏，缺點是頻率穩(wěn)定度不高。使用間接調(diào)頻法，先將調(diào)職信號積分后對載波進(jìn)行調(diào)相，從而產(chǎn)生一個窄帶調(diào)頻（NBFM），然后將其n次倍頻后得到寬帶調(diào)頻（WBFM）信號，優(yōu)點是頻率穩(wěn)定性好，缺點是需要多次倍頻和混頻，電路較復(fù)雜。在這部分使用的是鎖相調(diào)頻法。鎖相環(huán)法得到的載波穩(wěn)定度很高，他在高頻率的載波產(chǎn)生上有很大的優(yōu)勢。

在相干載波的產(chǎn)生上，使用的是集成壓控振蕩射頻合成器Si4123。Si4133包括了3個壓控振蕩器，環(huán)路濾波器，參考和VCO分頻器，和相位探測器。還包括了可編程分頻器和斷電設(shè)置線串行接口。10針腳是輸出，25針腳是芯片使能端，26針腳是時間脈沖輸入款，27針腳是芯片寄存器的配置端口，以上3個接口連接上位機(jī)，通過上位機(jī)的控制，以配置獲取穩(wěn)定的相干載波。

利用鎖相環(huán)產(chǎn)生一個穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)載波信號，就可以進(jìn)行相干解調(diào)。因為載波中的I信號與Q信號正交。所以產(chǎn)生的中頻信號不會產(chǎn)生干擾。在進(jìn)行一輪低通濾波之后，就可以解析出獨立的I、Q兩路信號。

這部分采用的是AD8347芯片，AD8347是ADI公司的一款集成有可控增益放大器（AGC）、正交下變頻混頻器、本地振蕩驅(qū)動器、可調(diào)節(jié)DC共模電平的雙通道差分放大電路等模塊的寬帶直接正交解調(diào)器。它能夠接收800 MHz～2.7 GHz范圍內(nèi)的射頻信號輸入，只需添加低通濾波器、LO電路及少量的外圍器件，即可以直接將輸入信號下變頻到基帶同相/正交（I/Q）分量[4]。

射頻輸入信號通過兩級可控增益放大器（AGC）放大器電路后到達(dá)雙平衡混頻器。混頻后輸出的基帶信號經(jīng)過獨立的I/Q通道AGC電路，轉(zhuǎn)換成功率穩(wěn)定的差分信號輸出，便于對輸出信號進(jìn)行AD采樣。

3 硬件設(shè)計注意點

由于硬件系統(tǒng)的工作頻率很高，需要采用高速電路設(shè)計方法，需要注意以下幾點：

1）信號完整性 需要對板級系統(tǒng)進(jìn)行信號完整性仿真，注意阻抗匹配，減小關(guān)鍵信號線之間的串?dāng)_，控制數(shù)據(jù)總線之間的延時；

2）電源完整性 需要對板級系統(tǒng)進(jìn)行電源完整性仿真，增加線和過孔上所能通過最大電流的裕量，通過在合適的位置加去耦電容，以降低電源和地平面上的交流阻抗；

3）電磁兼容 由于硬件屬于模/數(shù)混合電路，在布線時需要注意模擬部分和數(shù)字部分的隔離，采用獨立的模擬電源和數(shù)字電源以及模擬地和數(shù)字地，特別要注意降低數(shù)字部分對模擬部分的干擾；

4）功耗問題 隨著系統(tǒng)工作頻率的提高，系統(tǒng)的功耗也隨之增加，需要對關(guān)鍵器件進(jìn)行散熱處理。

4 結(jié) 論

該接收機(jī)具有接收GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航信號的能力，硬件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性。設(shè)計功能明確、結(jié)構(gòu)簡單、具有很強(qiáng)的通用性和實用性，達(dá)到了設(shè)計要求。

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