摘要：衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)研究意義重大。基于天線陣列的抗干擾技術(shù)需要同時(shí)采集多路GPS天線信號(hào)，而通用GPS接收機(jī)大多只能接收單路天線信號(hào)，難以滿足需求。為此，設(shè)計(jì)了一種四元天線陣列的GPS抗干擾射頻前端。通過(guò)四元天線陣列分別接收四路GPS信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器、射頻濾波器、下變頻到中頻信號(hào)，以供給后級(jí)A/D采樣，經(jīng)抗干擾模塊后達(dá)到抗干擾目的。最后，對(duì)此射頻前端進(jìn)行整體電路測(cè)試，并給出了測(cè)試結(jié)果。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了該系統(tǒng)方案的可行性。

0 引言

全球定位系統(tǒng)(Global Position System，GPS)衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)功率小，到達(dá)地面信號(hào)微弱，再加上無(wú)法預(yù)料的惡劣環(huán)境以及專用GPS干擾機(jī)[1]的出現(xiàn)，這些都會(huì)直接導(dǎo)致GPS信號(hào)受到干擾，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法正常工作[1-2]。因此，為了使GPS接收機(jī)能夠應(yīng)付更加復(fù)雜的環(huán)境，提高其自身的抗干擾能力，開(kāi)展GPS抗干擾技術(shù)的研究得到了廣泛的關(guān)注[3]。

目前針對(duì)GPS抗干擾技術(shù)的研究主要包括自適應(yīng)天線陣列[4]、天線增強(qiáng)、前端濾波技術(shù)[5]、碼環(huán)跟蹤[6]以及空時(shí)自適應(yīng)信號(hào)處理等技術(shù)。自適應(yīng)天線陣列技術(shù)能夠抑制多種干擾，是該領(lǐng)域的主要研究模型[7]。該模型要求同時(shí)接收多路衛(wèi)星信號(hào)?，F(xiàn)有GPS接收機(jī)射頻前端主要接收一路或兩路信號(hào)[8-9]，不能滿足要求。因此，本文設(shè)計(jì)了四元天線陣列GPS抗干擾射頻前端。方案采用了低噪聲、濾波、混頻、鎖相環(huán)、自動(dòng)增益控制等技術(shù)模塊。與文獻(xiàn)[10] GPS射頻前端相比，本設(shè)計(jì)輸出中頻較低，相差達(dá)40 MHz，能夠降低損耗，提高信號(hào)穩(wěn)定度，便于后續(xù)處理。

1 總體設(shè)計(jì)

GPS接收系統(tǒng)包括衛(wèi)星天線、射頻前端、基帶信號(hào)處理三個(gè)部分。在超外差接收機(jī)中，射頻前端的功能是對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，下變頻到中頻段，為后續(xù)A/D采樣提供信號(hào)。

天線陣列射頻前端是在上述基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計(jì)。如圖1所示，系統(tǒng)由4路構(gòu)成。每一路信號(hào)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(huán)(Phase Locked Logic，PLL)、自動(dòng)增益控制器(Automatic Gain Control，AGC)、中頻放大器(Amplifier，AMP)。

天線采用均勻直線陣列，將4路天線等間距排在一條直線上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，仿真容易。設(shè)入射波長(zhǎng)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(dāng)N個(gè)信源分別以入射角γ0，…，γN-1入射時(shí)，將M個(gè)陣元在k時(shí)刻的輸出表示為如下列矢量：

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 低噪聲放大器LNA

為了提高接收信號(hào)的靈敏度，在接收機(jī)的最前端采用低噪聲放大器。系統(tǒng)的噪聲系數(shù)F定義為輸入、輸出信噪比的比值：

式中，N為級(jí)聯(lián)的級(jí)數(shù)。由式(4)可知，最前端放大器的噪聲系數(shù)F1和增益G1對(duì)整個(gè)接收機(jī)的噪聲系數(shù)起決定作用[11]。低噪放的選擇需要考慮：線性范圍、反射系數(shù)、功耗、工作頻率、工作帶寬及通帶內(nèi)的增益平坦。

低噪聲放大器件采用HMC478ST89，工作頻段廣，在1 GHz～2 GHz頻段內(nèi)具有19 dB的固定增益而且噪聲系數(shù)只有3 dB。電路如圖3所示，Vs為供電電壓，RFIN為輸入信號(hào)，RFOUT為輸出信號(hào)。

器件的S參數(shù)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(hào)功率為-80~-60 dBm，經(jīng)過(guò)低噪聲放大后，功率達(dá)到-60~-40 dBm，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2 頻帶限制濾波器BPF

為濾除衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)頻帶外的噪聲，一般在每級(jí)低噪聲放大器輸出端接入帶通濾波器BPF[12]，也稱預(yù)選器，用來(lái)預(yù)選頻段，并抑制鏡像干擾、帶外干擾和各種噪聲[13]。本系統(tǒng)采用的是無(wú)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(cè)試結(jié)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(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.3 GP2015模塊設(shè)計(jì)

GPS天線信號(hào)在經(jīng)過(guò)放大、濾波之后，通過(guò)GP2015芯片下變頻到中頻信號(hào)。GP2015芯片具有低功耗、低成本、高可靠性的特點(diǎn)，工作電壓為3 V～5 V。該芯片包括：PLL(鎖相環(huán))、三級(jí)混頻器、AGC(自動(dòng)增益控制器)、中頻濾波器件以及兩位ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。其內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

內(nèi)部集成的PLL對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行倍頻，得到頻率為1 400 MHz的本振信號(hào)LO1。采用三級(jí)混頻結(jié)構(gòu)，基準(zhǔn)時(shí)鐘來(lái)自溫度補(bǔ)償晶振(TCXO)的10 MHz。外部輸入的GPS L1頻段1 575.42 MHz信號(hào)與LO1進(jìn)行一級(jí)混頻，得到頻率為175.42 MHz差頻信號(hào)。經(jīng)過(guò)LC濾波器后與LO2(140 MHz)進(jìn)行二級(jí)混頻，得到35.42 MHz差頻信號(hào)。再通過(guò)聲表面波濾波器進(jìn)入內(nèi)部AGC電路與LO3(31.11 MHz)進(jìn)行三級(jí)混頻，得到頻率為4.309 MHz信號(hào)。該中頻信號(hào)可通過(guò)內(nèi)部2位A/D轉(zhuǎn)換器輸出兩位數(shù)字信號(hào)：符號(hào)(SIGN)和量級(jí)(MAG)，分別表示信號(hào)的極性和大小，數(shù)字信號(hào)輸出給基帶處理器進(jìn)一步處理；也可直接輸出模擬信號(hào)，供外部A/D采樣。本設(shè)計(jì)采用直接輸出模擬中頻信號(hào)的方式。

2.4 基準(zhǔn)時(shí)鐘

本系統(tǒng)使用的GP2015器件要求10 MHz基準(zhǔn)時(shí)鐘輸入，對(duì)頻率的精確度和穩(wěn)定度要求都比較高。系統(tǒng)采用有源溫補(bǔ)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(jí)濾波會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減，但是后級(jí)A/D采樣需要中頻信號(hào)達(dá)到0 dBm。因此，在GP2015輸出端加上了一級(jí)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(yīng)、低功耗、反饋型寬帶限壓放大特性，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)電壓幅度輸出。

圖8所示為該器件的電路圖，輸入信號(hào)為VIN，輸出為Vo。通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電壓VH/VL來(lái)控制增益變化，使輸出信號(hào)為0 dBm左右。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目委對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，包括：?jiǎn)晤l信號(hào)測(cè)試、GPS接收機(jī)測(cè)試。測(cè)試儀器：信號(hào)源Rohde&Schware(R&S)SMB100A Signal Generator，頻率范圍為9 kHz～6 GHz。V.KEL接收模塊：頻譜儀R&S FSC6.Spectrum Analyzer，頻率范圍為9 kHz～6 GHz。

3.1 單頻信號(hào)測(cè)試

利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1 575.42 MHz、功率為-80 dBm的單頻信號(hào)，來(lái)模擬GPS L1頻段天線信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。該信號(hào)為四元天線陣列抗干擾射頻前端的輸入信號(hào)。

圖9所示為第一路輸出信號(hào)的頻譜圖（另3路輸出同圖9），頻率為4.309 MHz，帶內(nèi)平坦度為0.2 dB，帶寬為3 MHz左右，信號(hào)功率為-2.8 dBm左右。該結(jié)果表明陣列GPS抗干擾射頻前端工作正常，滿足后級(jí)AD采樣的需求。

3.2 GPS接收機(jī)測(cè)試

為了使天線陣列抗干擾射頻前端應(yīng)用于GPS接收系統(tǒng)中，搭建了GPS接收機(jī)測(cè)試平臺(tái)。如圖10所示，陣列射頻前端接入4路天線信號(hào)，接入GPS抗干擾基帶處理模塊，再通過(guò)上位機(jī)顯示收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

圖11所示為應(yīng)用本接收前端后的衛(wèi)星信號(hào)接收?qǐng)D，共計(jì)10顆衛(wèi)星，信噪比高達(dá)50 dB左右，符合通信系統(tǒng)指標(biāo)要求。該結(jié)果表明，天線陣列抗干擾前端在干擾下能夠正常工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了用于GPS接收機(jī)的天線陣列抗干擾射頻前端。文中對(duì)功放、濾波以及GP2015模塊進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了單頻信號(hào)測(cè)試、GPS接收測(cè)試。該設(shè)計(jì)投入使用后，能夠較好地處理陣列GPS信號(hào)，滿足設(shè)計(jì)要求。相比于目前通用的GPS信號(hào)射頻前端，它具有抗干擾性能強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單、可同時(shí)處理四路信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)GPS抗干擾技術(shù)的研究具有一定參考價(jià)值，同時(shí)能夠?yàn)楸倍废到y(tǒng)所用，在抗干擾方面有借鑒意義。