衛星導航信號轉發器的設計

陜西凌云電器集團有限公司 李海平 張二劍

衛星導航信號轉發器的設計

陜西凌云電器集團有限公司 李海平 張二劍

本文提出一種衛星導航信號轉發器的設計方法，重點描述了各級電路的實現方法,該設計具有很高的實用性，可滿足衛星導航終端設備的測試需求

轉發器；射頻；天線

1.引言

衛星導航是重要的空間基礎設施，為人類帶來巨大的社會和經濟效益。為滿足我國經濟和國防建設的需要，我國研制組建了第二代北斗衛星導航系統，是我國正在實施的自制研發，完全獨立運行的全球衛星導航系統，并與GPS,GLONASS,GALOLEO一起成為全球四大衛星導航系統。

衛星導航系統的迅速發展，促使大量的終端設備投入市場，為保障性能需在投入市場前進行詳細測試，而目前市面上兼容北斗信號的模擬器價格過于高昂，無法滿足終端設備的批量生產需求，本文提出一種北斗衛星信號轉發器的設計方法，可部分替代精密模擬器，為北斗導航系統的廣泛應用做好準備。

2.系統組成和工作原理

衛星導航信號轉發器主要是由室外GNSS接收天線、低損耗射頻電纜、室內GNSS發射天線、轉發器主機四部分組成。原理框圖見圖1：

圖1 轉發器原理框圖

射頻信號經接收天線放大濾波后，送往轉發器主機完成信號接擴和解調，實現導航信號的定位功能檢查，同時將碼流和電文信息并重新調制和上變頻得到射頻信號，通過轉發器主機的射頻端口送往發射天線

3.主要功能和技術指標

主要具備兩大功能,一是衛星信號增強轉發,二是自身定位檢查。轉發器接收BD2-B3/GPS的導航信號,解調出碼流和電文信息并重新調制和上變頻得到射頻信號,完成信號轉發功能,輸出信號電平可根據實際需求調整。

主要技術指標:轉發通道>32；轉發定位精度：水平〈10m,高程〈10m；輸入信號：-133dBm～-100dBm(BD2-B3/GPS)；輸出信號：-70dBm～-10dBm (BD2-B3/GPS )；數據接口為RS232串口（115.2Kbps）

4.設計方案

衛星信號轉發器在實際使用時，通常將接收天線架設在實驗樓頂上，轉發器主機，GNSS發射天線和被測設備放在實驗室內，兩者通過30米射頻電纜鏈接，因空中的衛星導航信號極為微弱，為避免信號的繼續惡化，接收天線需采用低噪聲的有源天線設計，射頻電纜需采用低損耗設計，信號控制器對信號進行接收再轉發，提高發射信號頻譜質量。

4.1 接收天線的設計

接收天線為衛星信號轉發器的射頻前段，其性能決定系統的優劣，為降低設計難度和成本，采用深圳華穎的有源接收天線HYBGLRC08RT，內部由天線，帶通濾波器，低噪聲放大器等組成。

技術指標為：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≤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，堅韌耐用，損耗為0.25dB/m （2GHz）。

4.3 轉發器主機

轉發器主機為系統設計的難點和核心，負責將接收的信號進行濾波放大后，進行下變頻送ADC進行模數轉換后解調，譯碼，再將譯碼后的數據進行調制，上變頻，生成高質量的衛星導航信號，再通過發射天線發射出去，并為接收天線提供電源，電源模塊產生主機所需的各種電壓，電路框圖如圖2所示：

圖2 轉發器主機原理框圖

4.3.1 饋電盒設計

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 射頻模塊設計

射頻模塊包括接收和發射兩部分，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濾波放大后進行下變頻生成中頻信號后送往基帶模塊，發射通道將基帶模塊的發射中頻信號進行變頻發大再濾波后經高隔離GP2S功分器后分成兩路，一路為GPS信號，一路為B3信號，GPS信號經濾波放大后輸出，B3信號經濾波放大后輸出，同時射頻模塊采用10MHz溫補晶振作為基準，采用頻率合成器產生兩路本振信號和一路124MHz時鐘信號，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和北斗信號專用的體聲波濾波器，體積小，品質因數高，溫度特型好，性能超過類似聲表面濾波器，而且可通過標準電路技術生產，極具價格競爭力。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。

為避免信號之間相互干擾，在結構上采取雙層腔體設計，接收通道，發射通道放在腔體的正面,同時將腔體的正面分成四個小腔,接收通道，發射通道的變頻放大電路，GPS信號和B3信號各占一腔，放置在腔體的背面，10MHz溫補晶振和本振信號和124MHz時鐘放在正面。

4.3.3 基帶模塊設計

基帶模塊負責信號處理，對射頻模塊的接收中頻信號進行中頻放大和高速采樣，然后經數字下變頻致零中頻，再經低通濾波，并對采樣數據進行解擴和解調處理，獲得數據流；同時將解碼的信號重新進行擴頻處理，并數模轉換后生成數字中頻信號送往射頻模塊，基帶模塊以射頻模塊的124MHz時鐘信號作為時鐘信號。

4.3.4 衰減器

衰減器選用上海華湘公司的GKTS2-1-60-2.5-A1型可調衰減器，范圍0dB～60dB，步長10dB，GPS信號和B3信號各用一路衰減器。

4.3.5 合成器

合成器將兩路信號GPS信號和B3信號分別放大濾波后再進行功率合成，這部分電路采用分腔設計，電路需反復優化，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.結論

本文介紹了一種北斗衛星信號轉發器的設計方法，并在實驗室中開始使用，可滿足衛星導航終端設備的調試和篩選要求，隨著我國北斗二代衛星定位系統的不斷成熟，將具有較強的實用性和廣泛的應用前景。

[1]陳邦嬡.射頻通信電路[M].北京:國防工業出版社,2008.

[2]謝剛.GPS原理與接收機設計.北京:電子工業出版社,2009.

李海平（1976—），女，陜西寶雞人，工程師，陜西凌云電器集團有限公司計量儀表處計量師，主要從事無線電儀表計量及設計工作。