0 引言

全球導航衛(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)相關領域的高度關注。目前的接收機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的基礎上研發(fā)更高精度、更加穩(wěn)定耐用的雙模接收機成為研究的核心。

本文提出了一種GPS/Galileo雙頻雙模接收機射頻前端系統(tǒng)的設計方案，該方案結合現(xiàn)有資源，展示出了該種接收機設計的實例。重點分析了混頻部分、本振部分及控制部分的功能及實現(xiàn)。最后利用頻譜儀及射頻信號發(fā)生器等設備對實例進行系統(tǒng)級測試，驗證了系統(tǒng)結構的正確性。

1 GPS/Galileo 雙模雙頻接收機系統(tǒng)

1.1 接收機結構

設計接收機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用，從而極大地減少了研發(fā)和生產成本，同時也可以減小接收機的體積。

比較流行的雙頻雙模接收機射頻前端的結構大致有信號獨享通道、公用信道、通過控制使某一時刻通道內只有一個載頻信號三類。本設計以第三種方案為基礎，在盡可能減少信號相互干擾的同時，爭取最大限度地復用元器件。結構圖如圖2所示。

1.2 接收機系統(tǒng)整體性能指標

在參考接收機的性能要求的基礎上，設計GPS接收機射頻前端芯片的各項系統(tǒng)指標見表1.

2 GNSS 接收機射頻前端芯片選擇

考慮市場現(xiàn)有的相關器件的芯片資源，在GPS接收機系統(tǒng)整體性能指標及結構的基礎上，結合各個功能電路模塊的性能指標參數(shù)，為最終利用所選芯片制作實際的射頻前端電路系統(tǒng)做準備。

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航頻段的增益可以達到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)應該盡可能的小，但又要考慮電路的設計難度和制作成本。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

設計的混頻部分選用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)是時分復用的，通過對電路電感的設計，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 芯片滿足本設計中本振部分的需求。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、電阻值進行調節(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)轉換部分

模數(shù)轉換部分選用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)轉換器，內置片內采樣保持電路，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。能夠滿足本設計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

控制部分由單片機完成，控制部分分為三部分：射頻開關切換控制部分、本振頻率切換控制部分、模數(shù)轉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控制，可以通過設置與單片機某輸出管腳相連接的SELECT 的電平高低對兩個信道進行切換，實現(xiàn)GPS L1/GALILEO E2-L1-E1信號和GPS L5/GALILEO E5a信號的分時復用。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。對于模數(shù)轉換部分工作模式選擇部分的控制，可以通過設置與單片機某兩個輸出管腳相連接的S1、S2 的電平高低對工作模式進行切換。

3 整機測試

本設計中采用Tektronix生產的頻譜儀(RSA3408A)及Anritsu(MG3700A)生產的射頻信號發(fā)生器對整機增益及噪聲系數(shù)進行測試。

3.1 整機增益測試

L1(E1)通道整機增益測試結果如圖8所示。

從圖8 可以看出，-110 dBm 的輸入信號輸入整機放大后，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)波段的整機增益為110 dB左右。

同理，可以對L5(E5a)通道整機增益進行測試，結果如圖9所示。從圖9可以看出，-110 dBm的輸入信號輸入后，經過整機放大后，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)通道波段的整機增益也為110 dB左右。

3.2 整機噪聲系數(shù)測試

分別連接整機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.設置頻譜的顯示模式為S/A(帶顏色顯示模式)，設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的計算公式可得：

設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.

由以上結果分析可知所設計的雙頻雙模接收機射頻前端是符合設計要求的，具有使用價值。

4 結語

本文通過對GNSS 接收機功能的研究，提出一種GPS/Galileo雙頻雙模接收機射頻前端系統(tǒng)，的設計方案，方案中介紹了該系統(tǒng)關鍵部分的具體設計方法。利用頻譜儀及射頻信號發(fā)生器等設備對實例進行系統(tǒng)級測試，驗證了系統(tǒng)結構的正確性。從而證實了本設計方案具有很強的使用性，并對加快接收機芯片組研發(fā)具有重要意義。