用於GPS接收機的天線陣列抗幹擾射頻前端

2020-12-05 電子發燒友

用於GPS接收機的天線陣列抗幹擾射頻前端

李倩 發表於 2018-06-06 09:12:53

摘要：衛星導航定位系統的抗幹擾技術研究意義重大。基於天線陣列的抗幹擾技術需要同時採集多路GPS天線信號，而通用GPS接收機大多只能接收單路天線信號，難以滿足需求。為此，設計了一種四元天線陣列的GPS抗幹擾射頻前端。通過四元天線陣列分別接收四路GPS信號，經過低噪聲放大器、射頻濾波器、下變頻到中頻信號，以供給後級A/D採樣，經抗幹擾模塊後達到抗幹擾目的。最後，對此射頻前端進行整體電路測試，並給出了測試結果。經實際應用，驗證了該系統方案的可行性。

0 引言

全球定位系統(Global Position System，GPS)衛星發射的信號功率小，到達地面信號微弱，再加上無法預料的惡劣環境以及專用GPS幹擾機[1]的出現，這些都會直接導致GPS信號受到幹擾，嚴重時甚至無法正常工作[1-2]。因此，為了使GPS接收機能夠應付更加複雜的環境，提高其自身的抗幹擾能力，開展GPS抗幹擾技術的研究得到了廣泛的關注[3]。

目前針對GPS抗幹擾技術的研究主要包括自適應天線陣列[4]、天線增強、前端濾波技術[5]、碼環跟蹤[6]以及空時自適應信號處理等技術。自適應天線陣列技術能夠抑制多種幹擾，是該領域的主要研究模型[7]。該模型要求同時接收多路衛星信號。現有GPS接收機射頻前端主要接收一路或兩路信號[8-9]，不能滿足要求。因此，本文設計了四元天線陣列GPS抗幹擾射頻前端。方案採用了低噪聲、濾波、混頻、鎖相環、自動增益控制等技術模塊。與文獻[10] GPS射頻前端相比，本設計輸出中頻較低，相差達40 MHz，能夠降低損耗，提高信號穩定度，便於後續處理。

1 總體設計

GPS接收系統包括衛星天線、射頻前端、基帶信號處理三個部分。在超外差接收機中，射頻前端的功能是對GPS信號進行信號調理，下變頻到中頻段，為後續A/D採樣提供信號。

天線陣列射頻前端是在上述基礎上進一步設計。如圖1所示，系統由4路構成。每一路信號鏈路包括低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA)、頻帶限制濾波器(Band Limiting Filter，BLF)、混頻器(MIXER)、鎖相環(Phase Locked Logic，PLL)、自動增益控制器(Automatic Gain Control，AGC)、中頻放大器(Amplifier，AMP)。

天線採用均勻直線陣列，將4路天線等間距排在一條直線上，結構簡單，仿真容易。設入射波長為λ，兩天線間距為d，光速為c，信源以γ角度入射到均勻直線陣列，如圖2所示。

當N個信源分別以入射角γ0，…，γN-1入射時，將M個陣元在k時刻的輸出表示為如下列矢量：

2 系統硬體電路設計

2.1 低噪聲放大器LNA

為了提高接收信號的靈敏度，在接收機的最前端採用低噪聲放大器。系統的噪聲係數F定義為輸入、輸出信噪比的比值：

式中，N為級聯的級數。由式(4)可知，最前端放大器的噪聲係數F1和增益G1對整個接收機的噪聲係數起決定作用[11]。低噪放的選擇需要考慮：線性範圍、反射係數、功耗、工作頻率、工作帶寬及通帶內的增益平坦。

低噪聲放大器件採用HMC478ST89，工作頻段廣，在1 GHz～2 GHz頻段內具有19 dB的固定增益而且噪聲係數只有3 dB。電路如圖3所示，Vs為供電電壓，RFIN為輸入信號，RFOUT為輸出信號。

器件的S參數如圖4所示，S21表示增益，在GPS L1頻段（1 575.42 MHz）為20 dB。在室外條件下，天線輸入GPS信號功率為-80~-60 dBm，經過低噪聲放大後，功率達到-60~-40 dBm，滿足系統設計要求。

2.2 頻帶限制濾波器BPF

為濾除衛星導航信號頻帶外的噪聲，一般在每級低噪聲放大器輸出端接入帶通濾波器BPF[12]，也稱預選器，用來預選頻段，並抑制鏡像幹擾、帶外幹擾和各種噪聲[13]。本系統採用的是無源聲表面濾波器SF1186B，中心頻率為1 575.42 MHz，1 dB帶寬2.046 MHz，插入損耗最大3.5 dB。該器件頻響特性測試結果如圖5所示，在GPS L1頻段1.5 GHz左右，衰減為-2 dB左右，滿足系統設計要求。

2.3 GP2015模塊設計

GPS天線信號在經過放大、濾波之後，通過GP2015晶片下變頻到中頻信號。GP2015晶片具有低功耗、低成本、高可靠性的特點，工作電壓為3 V～5 V。該晶片包括：PLL(鎖相環)、三級混頻器、AGC(自動增益控制器)、中頻濾波器件以及兩位ADC(模數轉換器)。其內部詳細結構如圖6所示。

內部集成的PLL對基準時鐘進行倍頻，得到頻率為1 400 MHz的本振信號LO1。採用三級混頻結構，基準時鐘來自溫度補償晶振(TCXO)的10 MHz。外部輸入的GPS L1頻段1 575.42 MHz信號與LO1進行一級混頻，得到頻率為175.42 MHz差頻信號。經過LC濾波器後與LO2(140 MHz)進行二級混頻，得到35.42 MHz差頻信號。再通過聲表面波濾波器進入內部AGC電路與LO3(31.11 MHz)進行三級混頻，得到頻率為4.309 MHz信號。該中頻信號可通過內部2位A/D轉換器輸出兩位數位訊號：符號(SIGN)和量級(MAG)，分別表示信號的極性和大小，數位訊號輸出給基帶處理器進一步處理；也可直接輸出模擬信號，供外部A/D採樣。本設計採用直接輸出模擬中頻信號的方式。

2.4 基準時鐘

本系統使用的GP2015器件要求10 MHz基準時鐘輸入，對頻率的精確度和穩定度要求都比較高。系統採用有源溫補晶振，頻率10 MHz，輸出功率8 dBm，諧波抑制-25 dB，雜波抑制-70 dB。具體電路如圖7所示。

2.5 中頻放大AMP

混頻以及各級濾波會導致信號衰減，但是後級A/D採樣需要中頻信號達到0 dBm。因此，在GP2015輸出端加上了一級中頻放大器。中頻放大器件是OPA698，它具有寬帶高線性、快速響應、低功耗、反饋型寬帶限壓放大特性，能夠實時調節電壓幅度輸出。

圖8所示為該器件的電路圖，輸入信號為VIN，輸出為Vo。通過調節反饋電壓VH/VL來控制增益變化，使輸出信號為0 dBm左右。

3 系統性能測試

國家自然科學基金項目委對該系統進行了測試，包括：單頻信號測試、GPS接收機測試。測試儀器：信號源Rohde&Schware(R&S)SMB100A Signal Generator，頻率範圍為9 kHz～6 GHz。V.KEL接收模塊：頻譜儀R&S FSC6.Spectrum Analyzer，頻率範圍為9 kHz～6 GHz。

3.1 單頻信號測試

利用信號發生器產生頻率為1 575.42 MHz、功率為-80 dBm的單頻信號，來模擬GPS L1頻段天線信號進行測試。該信號為四元天線陣列抗幹擾射頻前端的輸入信號。

圖9所示為第一路輸出信號的頻譜圖（另3路輸出同圖9），頻率為4.309 MHz，帶內平坦度為0.2 dB，帶寬為3 MHz左右，信號功率為-2.8 dBm左右。該結果表明陣列GPS抗幹擾射頻前端工作正常，滿足後級AD採樣的需求。

3.2 GPS接收機測試

為了使天線陣列抗幹擾射頻前端應用於GPS接收系統中，搭建了GPS接收機測試平臺。如圖10所示，陣列射頻前端接入4路天線信號，接入GPS抗幹擾基帶處理模塊，再通過上位機顯示收到衛星數據。

圖11所示為應用本接收前端後的衛星信號接收圖，共計10顆衛星，信噪比高達50 dB左右，符合通信系統指標要求。該結果表明，天線陣列抗幹擾前端在幹擾下能夠正常工作，系統設計可行。

4 結束語

本文設計了用於GPS接收機的天線陣列抗幹擾射頻前端。文中對功放、濾波以及GP2015模塊進行了硬體電路設計，對系統進行了單頻信號測試、GPS接收測試。該設計投入使用後，能夠較好地處理陣列GPS信號，滿足設計要求。相比於目前通用的GPS信號射頻前端，它具有抗幹擾性能強、電路簡單、可同時處理四路信號等優點，對GPS抗幹擾技術的研究具有一定參考價值，同時能夠為北鬥系統所用，在抗幹擾方面有借鑑意義。

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