0 引言

    全球定位系統(tǒng)(Global Position System，GPS)衛(wèi)星發(fā)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(huán)境以及專用GPS干擾機^[1]的出現(xiàn)，這些都會直接導致GPS信號受到干擾，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復雜的環(huán)境，提高其自身的抗干擾能力，開展GPS抗干擾技術(shù)的研究得到了廣泛的關(guān)注^[3]。

    目前針對GPS抗干擾技術(shù)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(shù)^[5]、碼環(huán)跟蹤^[6]以及空時自適應信號處理等技術(shù)。自適應天線陣列技術(shù)能夠抑制多種干擾，是該領域的主要研究模型^[7]。該模型要求同時接收多路衛(wèi)星信號?，F(xiàn)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抗干擾射頻前端。方案采用了低噪聲、濾波、混頻、鎖相環(huán)、自動增益控制等技術(shù)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(wěn)定度，便于后續(xù)處理。

1 總體設計

    GPS接收系統(tǒng)包括衛(wèi)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(diào)理，下變頻到中頻段，為后續(xù)A/D采樣提供信號。

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(tǒng)由4路構(gòu)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(huán)(Phase Locked Logic，PLL)、自動增益控制器(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，…，γ_N-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(tǒng)硬件電路設計

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為級聯(lián)的級數(shù)。由式(4)可知，最前端放大器的噪聲系數(shù)F₁和增益G₁對整個接收機的噪聲系數(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，RFOUT為輸出信號。

    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信號功率為-80~-60 dBm，經(jīng)過低噪聲放大后，功率達到-60~-40 dBm，滿足系統(tǒng)設計要求。

2.2 頻帶限制濾波器BPF

    為濾除衛(wèi)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，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(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)設計要求。

2.3 GP2015模塊設計

    GPS天線信號在經(jīng)過放大、濾波之后，通過GP2015芯片下變頻到中頻信號。GP2015芯片具有低功耗、低成本、高可靠性的特點，工作電壓為3 V～5 V。該芯片包括：PLL(鎖相環(huán))、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(shù)轉(zhuǎn)換器)。其內(nèi)部詳細結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    內(nèi)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。采用三級混頻結(jié)構(gòu)，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(jīng)過LC濾波器后與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(nèi)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(nèi)部2位A/D轉(zhuǎn)換器輸出兩位數(shù)字信號：符號(SIGN)和量級(MAG)，分別表示信號的極性和大小，數(shù)字信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采樣。本設計采用直接輸出模擬中頻信號的方式。

2.4 基準時鐘

    本系統(tǒng)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(wěn)定度要求都比較高。系統(tǒng)采用有源溫補晶振，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，但是后級A/D采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?qū)崟r調(diào)節(jié)電壓幅度輸出。

    圖8所示為該器件的電路圖，輸入信號為V_IN，輸出為V_o。通過調(diào)節(jié)反饋電壓V_H/V_L來控制增益變化，使輸出信號為0 dBm左右。

3 系統(tǒng)性能測試

    國家自然科學基金項目委對該系統(tǒng)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 單頻信號測試

    利用信號發(fā)生器產(chǎn)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干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(nèi)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(jié)果表明陣列GPS抗干擾射頻前端工作正常，滿足后級AD采樣的需求。

3.2 GPS接收機測試

    為了使天線陣列抗干擾射頻前端應用于GPS接收系統(tǒng)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抗干擾基帶處理模塊，再通過上位機顯示收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

    圖11所示為應用本接收前端后的衛(wèi)星信號接收圖，共計10顆衛(wèi)星，信噪比高達50 dB左右，符合通信系統(tǒng)指標要求。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)設計可行。

4 結(jié)束語

    本文設計了用于GPS接收機的天線陣列抗干擾射頻前端。文中對功放、濾波以及GP2015模塊進行了硬件電路設計，對系統(tǒng)進行了單頻信號測試、GPS接收測試。該設計投入使用后，能夠較好地處理陣列GPS信號，滿足設計要求。相比于目前通用的GPS信號射頻前端，它具有抗干擾性能強、電路簡單、可同時處理四路信號等優(yōu)點，對GPS抗干擾技術(shù)的研究具有一定參考價值，同時能夠為北斗系統(tǒng)所用，在抗干擾方面有借鑒意義。

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作者信息:

魏  濤1，楊祖芳2，潘  偉3，鄭建生1，3

(1.武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢430072；2.武漢工商學院 信息工程學院，湖北 武漢430065；

3.武漢大學衛(wèi)星導航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢430072)