一款多通道雙模導(dǎo)航信道模塊的設(shè)計(jì)

夏永平，魏 斌，孫 淼

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫214072）

1 引言

導(dǎo)航信道模塊是用于導(dǎo)航系統(tǒng)的天線之后、處理端之前的部分，通常實(shí)現(xiàn)的功能包括上下變頻、放大、濾波等功能。信道模塊的性能在很大程度上決定了整機(jī)的抗干擾能力、接收靈敏度等指標(biāo)。多模的導(dǎo)航模塊能夠同時(shí)接收多種導(dǎo)航信號(hào)，能夠讓系統(tǒng)在多種導(dǎo)航模式下切換，保證了工作的穩(wěn)定性，但是在功耗、通道隔離等指標(biāo)上都增加了設(shè)計(jì)難度[1]。本文描述了一款北斗與GLONASS雙模導(dǎo)航模塊的設(shè)計(jì)方法。

2 工作原理

在導(dǎo)航信道模塊之前的天線部分，北斗、GLONASS信號(hào)都處于接近的頻率，因此都可以按照相同的信號(hào)強(qiáng)度到達(dá)信道模塊[2]。本文中設(shè)計(jì)的模塊的主要功能就是要把2個(gè)模式的射頻信號(hào)分離出來，盡可能實(shí)現(xiàn)高通道隔離，增加抗干擾能力，這一步工作一般來說是通過射頻濾波來實(shí)現(xiàn)，濾波器指標(biāo)的設(shè)計(jì)相當(dāng)關(guān)鍵[3]。

導(dǎo)航模塊的本振部分由模塊內(nèi)部產(chǎn)生，由于模塊有4個(gè)雙通道的下變頻以及2個(gè)上變頻通道，因此需要產(chǎn)生2種頻率的本振各5路。

圖1 導(dǎo)航模塊下變頻通道原理框圖

模塊下變頻通道簡化的原理框圖見圖1。其中省略了一些固定衰減器的部分。接收信號(hào)經(jīng)過天線的放大之后輸入到了信道模塊，第一級(jí)用低噪聲放大器來優(yōu)化整個(gè)模塊的噪聲系數(shù)指標(biāo)，然后功分出2路信號(hào)，分別濾波到北斗和GLONASS的對(duì)應(yīng)頻段，再進(jìn)行下變頻、放大以及中頻濾波的處理，最終輸出2種模式的中頻信號(hào)。

圖2 導(dǎo)航模塊上變頻通道原理框圖

模塊上變頻通道簡化的原理框圖如圖2所示。整個(gè)過程與下變頻通道正好完全相反，最終輸出北斗和GLONASS兩種模式射頻信號(hào)的混合信號(hào)，在器件選型上和下變頻接收通道一致，指標(biāo)相對(duì)來說少很多。

3 導(dǎo)航模塊通道隔離度指標(biāo)的設(shè)計(jì)

模塊的隔離度指標(biāo)首先是從殼體布局上進(jìn)行設(shè)計(jì)，下變頻部分共有4個(gè)GLONASS和北斗的接收通道。首先在布局上把4個(gè)通道用殼體隔開，防止信號(hào)串?dāng)_。以上的布局可以提高4個(gè)不同通道之間接收到同模信號(hào)的隔離度[4]。

由于兩種模式采用的是同樣頻率的中頻信號(hào)，模式之間的相互串?dāng)_更加容易影響系統(tǒng)的性能。以圖1中的X1（北斗）通道和G（GLONASS）通道為例子，射頻濾波器中心頻率分別為1567.5 MHz和1602 MHz，采用聲表濾波器，大致的插損在2dB，1dB帶寬30MHz，45 dB帶寬小于200 MHz。聲表濾波器主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能，一個(gè)是頻率的選通，另一個(gè)是鏡像信號(hào)的抑制。由于最終采用的GLONASS通道的中頻在46.5 MHz，帶寬8MHz，北斗通道的中頻在46.5MHz，帶寬17MHz，使用的這2款射頻濾波器可以保證45 dBc以上的鏡頻抑制以及三溫條件下帶內(nèi)信號(hào)的低插損指標(biāo)。

在模塊的研制過程中發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)天線接收的北斗和GLONASS通道在布局上處于同一個(gè)腔體內(nèi)，2個(gè)下變頻本振之間存在相互串?dāng)_[5，6]。此外，射頻濾波器并不能完全過濾還有一種模式的信號(hào)。所以說，在下變頻混頻器會(huì)混出另一個(gè)導(dǎo)航模式的中頻信號(hào)。為了提高不同導(dǎo)航模式之間的信號(hào)隔離度，需要適當(dāng)調(diào)節(jié)射頻濾波器的中心頻率，提高1567.5 MHz濾波器對(duì)1602 MHz信號(hào)的抑制，以及1602 MHz濾波器對(duì)1567.5 MHz信號(hào)的抑制。對(duì)于聲表濾波器，稍微調(diào)整中心頻率比較簡單，因此，把1567.5 MHz中心頻率的濾波器調(diào)整為1562.5 MHz，把1602 MHz中心頻率的濾波器調(diào)整為1607 MHz。中心頻率不能偏移太多，因?yàn)槟菢訒?huì)影響到鏡頻抑制的指標(biāo)[7]，如圖3所示。此外，通道隔離度還可以通過調(diào)節(jié)末級(jí)中頻放大器的饋電電路來改善[8]。適當(dāng)調(diào)高中頻放大器的饋電電感可以提高各支路之間在饋電上的隔離，提高通道的信號(hào)隔離度。

圖3 1562.5 MHz射頻濾波器指標(biāo)

圖4 1607 MHz射頻濾波器指標(biāo)

4 模塊線性放大等指標(biāo)的設(shè)計(jì)

模塊下變頻的增益指標(biāo)在20 dB左右，噪聲系數(shù)10 dB以內(nèi)，鏡頻抑制50 dBc以上，在輸出-5 dBm時(shí)，三階交調(diào)抑制達(dá)到-60 dBc，輸出信號(hào)不超過14 dBm。

圖5 導(dǎo)航模塊下變頻通道鏈路仿真結(jié)果

傳輸特性經(jīng)過鏈路仿真，鏈路的增益、噪聲系數(shù)等如圖5所示。另外，如圖6中所示，仿真的三階交調(diào)指標(biāo)可達(dá)到65 dBc。

圖6 導(dǎo)航模塊線性放大指標(biāo)仿真結(jié)果

為了保證系統(tǒng)的輸出信號(hào)不超過14 dBm，接收通道末級(jí)選取了一款Mini的限幅器RLM-33+，能夠保證信號(hào)功率不超過12 dBm，1 dB壓縮點(diǎn)達(dá)到5 dBm。

5 導(dǎo)航模塊的本振生成電路

導(dǎo)航模塊一共需要13 dBm的1521 MHz以及1555.5 MHz的本振信號(hào)各5路，提供給8個(gè)接收通道和2個(gè)發(fā)射通道。本文的設(shè)計(jì)中選取了2個(gè)Si4133配合單片機(jī)生成1521 MHz以及1555.5 MHz各1路，采用放大加功分的方式，產(chǎn)生2種信號(hào)各5路。圖7是本振生成電路的原理圖，2個(gè)頻率的本振都可采用同樣的電路生成。

圖7 本振生成原理框圖

6 導(dǎo)航模塊的性能指標(biāo)測試

下變頻通道的測試過程中，分別輸入-20 dBm的1567.5 MHz以及1602 MHz的信號(hào)，進(jìn)行增益、通道隔離度、鏡頻抑制等指標(biāo)的測試。經(jīng)過測試，該模塊的通道增益20 dB，1 dB壓縮點(diǎn)5 dBm，三階交調(diào)指標(biāo)在-65dBc以上，鏡頻抑制55dBc以上，通道隔離度70dBc以上。該模塊的整體功耗在8 W左右。模塊的外形圖和主要技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果見圖8至圖10。

圖8 導(dǎo)航信道模塊外形圖

圖9 三階交調(diào)指標(biāo)測試結(jié)果

圖10 鏡頻抑制指標(biāo)測試結(jié)果

實(shí)物和仿真的指標(biāo)符合性見表1。

表1 需求指標(biāo)和實(shí)測指標(biāo)符合性對(duì)比

7 結(jié)論

本文中描述了一款雙模導(dǎo)航信道模塊的設(shè)計(jì)方法，該模塊實(shí)現(xiàn)了GLONASS和北斗的雙模導(dǎo)航信號(hào)的接收，每種模式下都可以保證4個(gè)通道同時(shí)工作，且具備高的通道隔離度以及對(duì)鏡頻等干擾信號(hào)的高抑制度，非常適合作為導(dǎo)航系統(tǒng)的信道部分。

[1]劉基宇.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]王惠南.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[3]袁建平，羅建軍，越小奎，方群.衛(wèi)星導(dǎo)航原理與應(yīng)用[M].北京：中國宇航出版社，2003.

[4]邊少鋒，李文魁.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概論[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[5]謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6]王寶平，余江鑫，陳衛(wèi)強(qiáng).北斗二代導(dǎo)航接收機(jī)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013.

[7]李娟娟，楊開偉.自研BDS/GPS雙模高精度接收機(jī)性能評(píng)估[J].全球定位系統(tǒng)，2015.

[8]吳為，賴生建，鄧建華，白志剛.一種小型化北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)收發(fā)模塊的研制[J].中國測試，2013.