雙頻帶GPS/Galileo射頻前端接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

0 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS(Global Navigation Satel-lite System)近年來得到了廣泛的引用，從而引發(fā)相關(guān)領(lǐng)域的高度關(guān)注。目前的接收機(jī)模式無法滿足日益增長的使用精度要求。所以，在原有的單模接收機(jī)的基礎(chǔ)上研發(fā)更高精度、更加穩(wěn)定耐用的雙模接收機(jī)成為研究的核心。

本文提出了一種GPS/Galileo雙頻雙模接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案結(jié)合現(xiàn)有資源，展示出了該種接收機(jī)設(shè)計(jì)的實(shí)例。重點(diǎn)分析了混頻部分、本振部分及控制部分的功能及實(shí)現(xiàn)。最后利用頻譜儀及射頻信號發(fā)生器等設(shè)備對實(shí)例進(jìn)行系統(tǒng)級測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的正確性。

1 GPS/Galileo 雙模雙頻接收機(jī)系統(tǒng)

1.1 接收機(jī)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)接收機(jī)首先要考慮的就是頻帶的選擇。如圖1所示，GPSL1/L5和GalileoE1/E5a中心頻率相同，如果選擇該頻段的話，那么很多的元器件可以得到復(fù)用，從而極大地減少了研發(fā)和生產(chǎn)成本，同時也可以減小接收機(jī)的體積。

比較流行的雙頻雙模接收機(jī)射頻前端的結(jié)構(gòu)大致有信號獨(dú)享通道、公用信道、通過控制使某一時刻通道內(nèi)只有一個載頻信號三類。本設(shè)計(jì)以第三種方案為基礎(chǔ)，在盡可能減少信號相互干擾的同時，爭取最大限度地復(fù)用元器件。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.2 接收機(jī)系統(tǒng)整體性能指標(biāo)

在參考接收機(jī)的性能要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)GPS接收機(jī)射頻前端芯片的各項(xiàng)系統(tǒng)指標(biāo)見表1.

2 GNSS 接收機(jī)射頻前端芯片選擇

考慮市場現(xiàn)有的相關(guān)器件的芯片資源，在GPS接收機(jī)系統(tǒng)整體性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各個功能電路模塊的性能指標(biāo)參數(shù)，為最終利用所選芯片制作實(shí)際的射頻前端電路系統(tǒng)做準(zhǔn)備。

2.1 低噪聲放大部分

低噪聲放大部分選用INFINEON TECHNOLOGIES公司的BGA430芯片。BGA430芯片為寬帶高增益LNA芯片，5 V供電的情況下該芯片在導(dǎo)航頻段的增益可以達(dá)到28 dB以上，噪聲系數(shù)在2.4 dB以下。低噪聲放大器的噪聲系數(shù)應(yīng)該盡可能的小，但又要考慮電路的設(shè)計(jì)難度和制作成本。綜合以上考慮，BGA芯片同時滿足系統(tǒng)的增益、NF及線性度的要求。其電路圖如圖3所示。

2.2 混頻部分

設(shè)計(jì)的混頻部分選用ANALOGDEVICES公司的AD8347芯片。其電路圖如圖4所示。

2.3 本振部分

本振部分選用SILICON LABS公司的Si4133[4]芯片。

Si4133芯片可用來進(jìn)行雙波段的射頻合成及中頻頻率合成。該芯片的鎖相環(huán)是時分復(fù)用的，通過對電路電感的設(shè)計(jì)，使它能很好的工作在兩個不同的頻率范圍。另外Si4133芯片具有很低的相位噪聲。因此綜合以上考慮Si4133 芯片滿足本設(shè)計(jì)中本振部分的需求。其電路圖如圖5所示。

2.4 帶通濾波部分

帶通濾波部分選用ANALOG DEVICES 公司的AD8132芯片。該芯片提供差分信號輸入與輸出，并且可以單電源(+5 V)供電。通過外接電容、電阻，可以分別組合形成Q、I路二階差分有源濾波器。并通過對電容、電阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以分別改變Q、I路二階差分有源濾波器的增益及中心頻率。并且經(jīng)測試該芯片可以滿足中心頻率為4 MHz左右，-3 dB帶寬為8 MHz左右，帶外抑制度為-30 dB左右的條件。其電路圖如圖6所示。[!--empirenews.page--]

2.5 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分

模數(shù)轉(zhuǎn)換部分選用Analog Devices公司的AD9288芯片。其是一款雙通道8位單芯片采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置片內(nèi)采樣保持電路，編碼輸入為TTL/CMOS兼容，8位數(shù)字輸出為TTL/CMOS兼容，單獨(dú)的輸出電源引腳支持3.3 V 或2.5 V 邏輯接口。能夠滿足本設(shè)計(jì)的具體要求并同時具有低成本、低功耗、尺寸小和易用性好等優(yōu)勢。其電路圖如圖7所示。

2.6 控制部分

控制部分由單片機(jī)完成，控制部分分為三部分：射頻開關(guān)切換控制部分、本振頻率切換控制部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換工作模式選擇控制部分。下面分別加以說明。

對于低噪聲放大部分中的射頻開關(guān)控制，可以通過設(shè)置與單片機(jī)某輸出管腳相連接的SELECT 的電平高低對兩個信道進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)GPS L1/GALILEO E2-L1-E1信號和GPS L5/GALILEO E5a信號的分時復(fù)用。對于本振部分的射頻輸出信號的控制，可以在連接合適大小電感的前提下，利用單片機(jī)與芯片的串行接口配置正確的參考分頻比和VCO分頻比就可以使芯片的兩個射頻通道產(chǎn)生兩個頻率分別為1 571.328 MHz和1 171.335 MHz的本振信號，用于GPS L1/GALILEOE2-L1-E1 信號和GPS L5/GALILEO E5a信號的解調(diào)。對于模數(shù)轉(zhuǎn)換部分工作模式選擇部分的控制，可以通過設(shè)置與單片機(jī)某兩個輸出管腳相連接的S1、S2 的電平高低對工作模式進(jìn)行切換。

3 整機(jī)測試

本設(shè)計(jì)中采用Tektronix生產(chǎn)的頻譜儀(RSA3408A)及Anritsu(MG3700A)生產(chǎn)的射頻信號發(fā)生器對整機(jī)增益及噪聲系數(shù)進(jìn)行測試。

3.1 整機(jī)增益測試

L1(E1)通道整機(jī)增益測試結(jié)果如圖8所示。

從圖8 可以看出，-110 dBm 的輸入信號輸入整機(jī)放大后，可以獲得-7.56 dBm 的中頻信號，增益為102.44 dB,考慮到測試線的損耗為0.7 dB 以及射頻SAW 的7 dB 以及中頻濾波器的插入損耗0.2 dB,以及PCB走線損耗0.35 dB,因此在L1(E1)波段的整機(jī)增益為110 dB左右。

同理，可以對L5(E5a)通道整機(jī)增益進(jìn)行測試，結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，-110 dBm的輸入信號輸入后，經(jīng)過整機(jī)放大后，可以獲得-11.52 dBm的中頻信號，增益為98.48 dB,考慮到測試線的損耗為0.7 dB以及射頻SAW的7 dB以及中頻濾波器的插入損耗0.2 dB,以及PCB走線損耗0.35 dB,以及單端測試損失的6 dB,因此在L5(E5a)通道波段的整機(jī)增益也為110 dB左右。

3.2 整機(jī)噪聲系數(shù)測試

分別連接整機(jī)的輸入測試端口到射頻信號源，輸出測試端口通過級聯(lián)一級射頻放大器接后接到頻譜儀，并開啟電源供電。設(shè)置射頻信號源的輸出信號頻率為1 575.42 MHz,信號功率為-110 dBm.設(shè)置頻譜的顯示模式為S/A(帶顏色顯示模式)，設(shè)置頻譜儀的掃描中心頻率為4 MHz,掃描帶寬為100 kHz,觀察頻譜儀的顯示輸出，如圖10所示。

增益GAIN = - 110 dB,整機(jī)輸出噪聲功率為-33.813 dBm,測試線的傳輸損耗為-0.7 dB,由噪聲系數(shù)NF的計(jì)算公式可得：

設(shè)置射頻信號源和頻譜儀的中心頻率為1 176.45 MHz,同樣可以測得LNA的噪聲系數(shù)為2.54 dB.

由以上結(jié)果分析可知所設(shè)計(jì)的雙頻雙模接收機(jī)射頻前端是符合設(shè)計(jì)要求的，具有使用價值。

4 結(jié)語

本文通過對GNSS 接收機(jī)功能的研究，提出一種GPS/Galileo雙頻雙模接收機(jī)射頻前端系統(tǒng)，的設(shè)計(jì)方案，方案中介紹了該系統(tǒng)關(guān)鍵部分的具體設(shè)計(jì)方法。利用頻譜儀及射頻信號發(fā)生器等設(shè)備對實(shí)例進(jìn)行系統(tǒng)級測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的正確性。從而證實(shí)了本設(shè)計(jì)方案具有很強(qiáng)的使用性，并對加快接收機(jī)芯片組研發(fā)具有重要意義。