A new navigation receiver front-end circuit design
摘要： 世界上的卫星导航信号资源正不断得到完善和丰富，另外过去针对GPS C/A码的卫星导航接收机已经越来越不能满足实际需求了，这就使得发展多频多系统的卫星导航接收机变得可能而且必要了。但是，由于目前还没有合适的针对多频多系统的卫星导航接收机专用集成电路；因此作者利用市面上已有成熟的通用集成芯片，设计了一种能够兼容多种频率和多种系统的卫星导航接收机前端电路。针对不同的卫星导航信号，该前端电路的频率和信道带宽都可以容易地更改。
主题词：前端电路；导航接收机；多频多系统； 直接下变频
Abstract:The satellite-navigation signal resource on the earth is being upgraded and becoming enriched ceaselessly。In addition, the GPS C/A code receivers are becoming increasingly unable to satisfy the practical requirements 。This make it possible and necessary to develop the multi-frequency and multi-system satellite-navigation receivers 。But,a special ASIC for multi-frequency and multi-system satellite-navigation receiver is not available at present。The authors have designed a satellite-navigation receiver front-end circuit which can be compatible to various frequencies and satellite systems with the common chips which are available in the current markets。The frequency and bandwidth of the front-end circuit can be changed easily according to different satellite navigation signals。
Key words: front-end； navigation  receiver；  multi-frequency and multi-system；  direct down-conversion
1 引言
始建于上个世纪七十年代末的全球定位系统(GPS)在军事和民用领域都取得了巨大的成功[8]。进入新世纪以来，许多国家都在积极建设自己的卫星导航系统。美国开始实施GPS的现代化计划[1]，GLONASS卫星不断得到补充，Galileo也正式进入实施论证阶段[6]；另外我国也正加速建设自己的北斗定位系统。可以预见，不久将来世界上可用的卫星导航信号资源将会得到极大的丰富，而这也必然推动多频多系统卫星导航接收机技术的发展。在此背景下，过去针对GPS C/A码的成熟前端电路已难以满足新形势的需求了；发展多频多系统的卫星导航接收机已经成为无线电卫星导航领域研究的热点。
由于目前针对多频多系统的导航接收机还没有合适的专用集成电路(ASIC)可用，最近我们利用MGA-53543,ADF4360-4和AD8347等芯片成功研制出一种新型的卫星导航接收机前端电路。它能够兼容多个频率和多个系统，而且它的信道带宽可以根据实际需求而改变。本文对这一工作进行介绍。
2  前端电路设计的约束条件
2.1  卫星导航信号资源的选取
卫星导航系统的信号频谱范围跨度很大，而且其中的部分信号还处于完善之中[6]。要设计如此大带宽的接导航收机是非常困难的。这是因为一方面目前的通用集成芯片很难满足如此大的带宽要求，另一方面过大的带宽也将影响电路的性能[2]。根据实际需要，我们的接收机前端电路只兼容表1中的频段。

 
2.2 前端电路的性能指标
   前端电路应该具有很高的灵敏度，很低的噪声系数和足够高的增益以使ADC能精准地采样；同时面对各种复杂的应用场合，接收机还应有足够大的动态范围。对接收机前端电路的具体性能指标确定为[2] [5]：
   兼容频率范围：1550MHz～1650MHz;   动态范围：>70dB;
   噪声系数：<3dB;   灵敏度：<-110dBm;   信道带宽：可以有效在0～25MHz变动。
3  电路的设计与实现
3.1   前端电路的拓扑结构
    为了可以灵活的更改电路的工作频率和信道带宽，接收机前端电路采用图1所示的直接下变频结构。
 
                         
       直接下变频也称为零中频，是指将载波降为零中频。图1中频率合成部分首先合成一个与载波频率完全相同的本振信号，然后通过一个正交的I/Q混频器与输入的射频信号进行混频。混频器输出两路正交的I/Q基带信号，经低通滤波器后再转换为数字信号。在实际应用中，并不一定要将载波降到零中频，也可以将载波降为一个较低的中频信号[4]。
3.2   射频带通滤波器和低噪放
图1中天线后的带通滤波器主要是用来去除带外噪声。由于不存在镜频干扰的问题，因此对该带通滤波器性能要求并不苛刻。对于级联网络而言，第1级低噪放(LNA)的噪声系数对整个接收机噪声系数的影响最大；因此第1级的LNA的噪声系数应该尽量的小[7]。我们采用MGA-53543这款芯片，并设计其最佳外围匹配电路。经调试，该LNA在1.5～1.7GHz的频率范围可以获得13dB的增益，小于2.0dB的噪声系数。另外，这款LNA具有较大的线性范围，为了缓解后级的增益压力，我们采取了两级LNA级联的方式。
3.3  混频器和动态范围
我们选用高性能的宽带直接正交解调器AD8347芯片作为该前端电路的混频器。AD8347带有70dB动态范围的AGC,30dB的基带增益，输出端口具有90MHz的带宽，而且I/Q本振信号相位误差很小。由于AD8347采用有源混频器以及专门的去直流偏差电路，这使得它的本振泄露和直流偏差都非常小。
接收机的动态范围来自两个部分。一部分是因为混频器本身就带有70dB的动态范围，另一部分则来自ADC。选用8位的ADC时，依据一定的算法我们通常只是选取其中的2位bit，这样ADC就相当于还有20*log64=36dB的动态范围。因此整个接收机前端电路的动态范围可以达到70+36=106dB,符合设计要求。
3.4  本振信号的合成以及接收机的兼容性
3.4.1本振信号的合成
ADF4360-4是美国ADI公司生产的一款高性能频率合成芯片，它通过一个三线接口来合成本振信号的。其中三线接口的控制信号来自图1中所示的CPLD模块。设定ADF4360-4输出频率为1500MHz，使用ADIsimPLL彷真软件对其输出相位噪声仿真，如图2所示。可以看出,在偏离中心频率10KHz处，相位噪声<-90dBc/Hz,这个指标可以很好的满足接收机的要求。ADF4360-4输出的频率范围为：1450MHz～1750MHz。
 
                 
3.4.2 接收机的兼容性
    接收机的兼容性涉及到两个方面，一个是信号的载波频率，另一个是接收到信号的带宽。前面已经叙述，CPLD模块给出的控制信可以使得ADF4360-4中输出不同频率的本振信号。对于信号带宽不同的问题，我们是采用下述方法来解决。
图1中所示，混频器输出的I/Q两路信号都经过一个截止频率为25MHz的低通滤波器，然后以50MHz的采样率将其转换为数字信号。根据采样定理知道，对于像GPS C/A码这样的信号，并不需要50MHz这么高的采样率。这时，可以通过一个CPLD模块对ADC输出的数字信号进行合适的抽取，然后再交给后端电路。这就相当于对采样信号做了一次数字低通滤波处理，而数字低通滤波的截止频率取决于抽取过程[3]。而对于像GPS的P码这样的信号，50MHz的采样率是必要的，这时CPLD模块就不必对ADC输出的数字信号进行抽取了。因此通过合理的抽取，就可以灵活设定接收机的信道带宽了。除了对数据进行抽取外，CPLD模块还送出必要的控制信号给ADF4360-4用来合成本振信号，如上小节所述。
总之，通过改变本振信号的频率，同时CPLD模块对采样信号进行合理的抽取，接收机就可以比较好的兼容多个频段和个多系统了，并可以满足不同的信号带宽要求。
3.5  PCB的制作
由于工作在较高的频率，各元器件只有在匹配时候才能工作在最佳状态；因此必须精心设计匹配网络，保证各级间阻抗匹配。为了提高系统的抗干扰能力，确保系统稳定可靠工作，信号线应该尽量的短，而且应被地线包围。为了消除电源上的干扰，必须在各个器件上加上10uF和0.1uF的去耦电容。
4   测试结果
将ADF4360-4的输出频率设定为1551.31MHz，采用HP 8648C信号源产生一个1575.42MHz的单频信号，并通过Trktronix TDS 540C示波器来观察接收机下变频后的波形。图3显示的是下变频为24.11MHz的时域波形，可以用它来分析估计接收机的性能。当信号源输出功率小于-110dBm时，从示波器观察到24.11MHz的信号信噪比变差，波形噪声增大，可以认为接收机的灵敏度达到-110dBm。通常接收机的外置天线有20dB～30dB的增益，因此电路实际灵敏度能达到-130dBm。当输入功率为-110dBm时，可以测出ADC输入端的信号功率为-13.3dBm，因此电路有96.7dB的增益。让信号源输出功率在-110dBm到-36dBm之间变化时，通过示波器可以看到ADC输入端口有稳定的波形,因此该接机的动态范围大于70dB。综合前面的叙述，可以认为本接收机的性能指标达到了设计要求。
 
                     
5   结论
ADF4360-4可以方便的合成本振信号，同时CPLD模块可以根据实际需要合理的设定接收机的信道带宽,因此本接收机前端电路能兼容多个卫星导航系统。由于ADF4360-4输出频率范围并不能覆盖卫星导航信号的低频部分，因此接收机无法兼容GPS,GLONASS和Galileo 的L2波段处的信号。如果采用输出频率范围为1050MHz～1250MHz的ADF4360-6芯片来合成本振信号，并重新设计电路中LNA的输入输出匹配网络，设计的前端电路就能够接收L2波段处的卫星导航信号。
创新点：
1 本文结合当前卫星导航系统的发展趋势，设计了一种多频多系统的卫星导航接收机前端电路。
2 该电路通用灵活，工作频率和信道带宽更改方便，符合下一带卫星导航接收机的发展方向。
参考文献：
[1]   Keith D.McDonald. The modernization of GPS: Plans, New Capabilities and the Future Relationship to Galileo. Journal of Global Positioning System (2002), Vol.1,No.1-17
[2]   JAMES BAO-YEN TSUI. Fundamentals of Global Positioning System Receivers :A software
      Approach (SECOND EDITION).WILEY-INTERSCIENCE,2004.
[3]   John G.Proakis,Dimitris G.Manolakis.Digital Signal Processing Principles,Algorithms
      and Applications (Third Edition).北京：中国电力出版社，2004.
[4]   Behzad Razavi.RF MICROELECTRONICS.北京：清华大学出版社,2003.
[5]   Kaplan E D著.邱志和,王万义 译. GPS原理与应用.北京：电子工业出版社,2002.
[6]   刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法.北京：科学出版社,2003.
[7]   陈邦媛.射频通信电路.北京：科学出版社,2003.
[8]   陈蕾，仇润鹤，薛冰雷．一种应用于车载系统的GPS接收机射频前端的设计[J]．微计算机信息，2005，10—3：196--198