卫星导航信号高灵敏度接收技术研究

周广涛，孙妍忞

(哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)



卫星导航信号高灵敏度接收技术研究

周广涛，孙妍忞

(哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

随着卫星导航应用范围不断拓展，对导航接收机的灵敏度要求越来越高，高灵敏度可以使接收机在室内或其他卫星信号较弱情况下仍然能够实现定位和跟踪。目前传统接收机为超外差中频采样结合基带信号处理架构，该架构降低了对ADC信号采集以及基带信号处理的压力，但接收机灵敏度性能已趋于极限。随着ADC技术的不断发展，对卫星导航信号进行直接数字采样已渐渐成为现实。提出了一种基于高速ADC对卫星导航信号进行直接数字采样的方案，通过与传统超外差中频采样方案对比分析、仿真论证及实际测试，验证了新方案切实可行，并且能较大程度提升接收机灵敏度等关键技术指标，具有明显的技术优势。

射频直接数字采样;超外差;灵敏度;卫星导航

引用格式：周广涛，孙妍忞. 卫星导航信号高灵敏度接收技术研究[J].微型机与应用，2016,35(17)：64-67，71.

0　引言

随着卫星导航技术的发展，导航接收机广泛应用于各个领域，对导航接收机的灵敏度要求也越来越高。目前，市场上的高灵敏度导航接收机主要依赖于优越的基带信号处理算法来实现，而接收机链路架构一直采用超外差中频采样方式[1]。随着基带信号处理算法的趋于成熟，传统超外差中频采样已难以再进一步提升接收机灵敏度性能。

然而ADC器件不断发展，对卫星导航信号进行直接数字采样已渐渐成为现实。根据软件无线电的要求，天线接收到的信号经过射频前端后应直接采样，信号的滤波、混频、捕获、跟踪等处理则在DSP/FPGA完成[2-3]。相比传统方式，AD采样的信号更趋于射频前端，因此接收机链路引入的噪声干扰更低，在基带算法相同的情况下，接收机灵敏度性能优于传统超外差中频采样方式。

本文详细论述了基于高速ADC对射频信号直接数字采样的实现原理，对比传统方式进行性能分析，最后根据仿真和系统级实际测试验证了方案的优越性。

1　导航接收机实现

接收机的基本功能就是从空间众多电磁波中选出有用信号，并将信号放大至解调器所需的功率值，进而送入解调器解调变换成基带信号[4]。目前常用的导航接收机射频前端是将天线接收到的信号进行滤波、放大、下变频和增益控制等处理，将微弱的射频信号变换成具有一定信噪比的稳定中频或基带信号以供数字端作进一步处理[5]。这里提出的射频直采方案直接使用高速ADC对信号采样再到基带做进一步信号处理。

1.1超外差中频采样实现

传统导航接收机一般采用超外差中频采样方式，如图1所示，主要包括射频滤波、LNA、混频、中频滤波、放大、A/D变换、基带信号处理等器件。

图1　超外差中频采样实现原理

1.2射频直接数字采样实现

对导航信号进行射频直接数字采样的接收机链路主要包括射频滤波、LNA、放大器、A/D变换、数字信号处理等器件，如图2所示。

图2　射频直接数字采样实现原理

针对导航接收机的L1波段采用CA码调制的信号，中心频率f0=1 575.42 MHz，带宽B=2.048 MHz，则fL=1 574.396 MHz，fH=1 576.444 MHz。根据带通采样定理可以选取ADC采样率为fs=819.2 MHz。

图3　数字下变频实现

数字下变频实现原理如图3所示。

图4　并行DDS算法模型设计实现

假设被采集信号为：

x(t)=a(t)cos(ϖot+θ(t))

(1)

经过ADC采样后，得到数字信号：

x(n)=a(n)cos(ϖon+θ(n))

(2)

通过混频技术，可得到信号的正交变量，数字信号正交混频的I路可表示为：

(3)

Q路可表示为：

(4)

本地振荡器和低通滤波器模块是数字下变频的核心模块，其中本地振荡器采用DDS算法实现。

在射频直接采样系统中，因采样率高达819.2 MHz，而一般高性能信号处理器FPGA工作时钟不能超过300 MHz，因此须采用并行处理方式实现。基于system generator实现并行DDS算法模型如图4所示，实现并行低通滤波器如图5所示。

2　接收机灵敏度理论分析

接收机灵敏度是衡量接收机在一定条件下能够接收小信号的能力，用能够检测的最小信号功率来表示[6]。噪声是限制接收机灵敏度的主要因素，噪声的来源是多方面的，例如电路中的放大器、电阻、混频器等元器件都会产生噪声。噪声的功率可以表示为：

Pr=kTeB

(5)

其中，k为玻尔兹曼常数，B为接收机带宽，Te为折合后输入端的噪声温度，一般可以用噪声系数来等效地表示噪声温度。

一个理想情况下的接收机只放大与天线有关的信号和噪声，而不引入其他噪声。但实际上接收机内部总会产生内部噪声，所以输入信号的信噪比要大于输出信号的信噪比，噪声系数定义为二者之比，即：

(6)

工程应用中，采用下式计算接收机灵敏度[7]：

S=-174dBm+10log(B)+K+S/N

(7)

其中，S为接收机灵敏度，B为接收机带宽(Hz)，K为噪声系数，S/N为基带信号处理门限。

图5　并行低通滤波器设计实现

对于同一个接收机系统，若不改变基带信号处理算法，则接收机带宽和基带信号处理门限不变，因此影响接收机灵敏度的主要因素是接收机噪声系数。而噪声系数主要由接收机链路中所采用的微波器件和ADC性能决定。

2.1微波链路噪声分析

射频直接数字采样相比超外差中频采样方案在微波链路设计中，因减少了混频器、本振等电路，从而减少了噪声源的引入环节，因此理论上在其他工艺技术环节保持不变的情况下，微波链路噪声系数会有一定的改进。

2.2ADC噪声分析

ADC噪声来源主要包括输入噪声和量化噪声[8]。ADC输入噪声是固有噪声，包括折合的码元跃迁噪声。理论上随着ADC输入模拟电压的提高，理想ADC保持恒定的输出码元，直至到达跃迁区，此时输出码元即刻跳变为下一个值，并且保持该值，直至到达下一个跃迁区，如图6(a)所示；然而实际ADC存在一定的码元跃迁噪声，如图6(b)所示，通常把代码跃迁噪声折合到ADC的输入噪声。

图6　ADC量化噪声图

ADC量化噪声是在模拟信号转换为数字信号过程中，由于ADC的有限解析度而产生的[9]。ADC只能用有限位数(N)的数字量表示其输入电压。因此ADC的输入可以看作是由离散形式的模拟输入加上误差信号而构成，这些误差信号就是ADC的量化误差，如图7所示。

图7　ADC量化噪声

对于高速采样ADC与低速采样ADC来说，主要噪声差别是由量化噪声引起，输入噪声差别相对较小。由于量化噪声功率平均分布在0～fs/2，量化噪声能量是不随采样频率变化的，采样频率越高，量化噪声功率密度将越小，这时分布在输入信号的有用频谱上的噪声功率也越小，即提高了信噪比。只要数字低通滤波器将大于fs/2的频率分量滤除掉，采样精度就会提高。

随着ADC技术的发展，目前高速ADC采用先进的折叠+内插电路+校准信号源的架构，并增加适当数量的带外噪声扰动来改善ADC的非线性，提高无杂散动态范围；采用校准环路来优化输入电路的偏置误差、增益误差，以达到最佳的输出杂散性能，在提高量化位宽的同时，显著提高了噪声性能。

目前高速ADC不仅具备对卫星导航信号进行射频直接采样的能力，而且通过提高系统采样率，可以实现对信号电压的精细量化，在保持ADC量化位宽不变的情况下，使ADC量化噪声较大程度降低。

经过上述理论分析可知，采用射频直接采样方案的卫星导航接收机灵敏度性能优于传统超外差中频采样方案。

3　系统仿真及测试验证

3.1超外差中频采样验证

采用微波链路仿真软件分析超外差混频射频前端电路噪声系数如图8所示，得到噪声系数为2.79 dB。

基于实际超外差中频采样接收机系统，采用信号模拟源作为激励，设置信号源输出GPS L1频点C/A码，输出功率为-130 dBm，对基带信号进行数据分析得到信噪比为-24 dB，在基带码元相关后得到相关峰如图9所示。

图9　超外差中频采样方案信号相关

3.2射频直接数字采样

采用微波链路仿真软件分析射频直接采样射频前端电路噪声系数如图10所示，得到噪声系数为1.83 dB。

图10　射频直接采样射频前端电路噪声系数仿真图

基于实际射频直接数字采样接收机系统，采用信号模拟源作为激励，设置信号源输出GPS L1频点C/A码，输出功率为-130 dBm，对基带信号进行数据分析得到信噪比为-21 dB，在基带码元相关后得到相关峰如图11所示。

图11　直接带通采样信号检波图

3.3对比分析验证结果

3.3.1理论分析情况

超外差中频采样对比射频直接数字采样方案接收机性能理论分析对比如表1所示。

表1　两种接收机实现方式理论分析对比

3.3.2仿真论证情况

对两种导航接收机射频前端电路实现方式进行仿真论证，得到指标性能对比如表2所示。

表2　两种接收机实现方式仿真分析对比

可以看出，从仿真分析角度来看射频直接采样方式相比中频采样方式灵敏度更好。

3.3.3实际测试情况

对两种数字接收机实现方式进行实际测试得到指标性能对比如表3所示。

表3　两种接收机实现方式实际测试对比

根据理论定性分析，结合仿真论证和实际测试验证，在当前技术条件下，已具备卫星导航信号进行射频直接采样的能力，而且接收机灵敏度性能更优。

4　结论

随着ADC技术的不断发展，本文提出了基于高速ADC的卫星信号射频直采方案，可以在基带算法已经趋于成熟的情况下较大程度地提高导航接收机的灵敏度等技术指标。本文对比分析了两种导航接收机射频前端设计方式，即目前常用的超外差中频采样及射频直接数字采样，详细讨论了射频直采实现方案，以灵敏度为技术指标搭建测试环境对二者做仿真论证和实际测试，仿真及测试结果验证了本文提出的基于高速ADC的射频直采方案完全能够实现对卫星信号的数字化处理，并且接收机灵敏度等系统关键技术指标性能更优。

使用传统超外差方式提高导航接收机灵敏度已比较困难，而采用高速ADC射频采样方案不仅可以在同样基带算法的条件下较大程度地提高接收机灵敏度等指标，而且便于采用数字信号处理方式实现不同的系统功能，后期系统维护和升级改造灵活；同时，也便于对大带宽跳频信号进行数字信道化处理。软件无线电是未来信息系统数字化的发展方向，在此大环境下，该方案以其更接近软件无线电系统架构而必将成为一种发展趋势。

[1] ROHDE U L, WHITAKER J C. 通信接收机:DSP、软件无线电和设计[M]. 王文桂，肖晓劲，译.北京：人民邮电出版社，2001.

[2] 姜宇柏,游思晴.软件无线电原理与工程应用[M].北京:机械工业出版社，2006.

[3] 杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社，2002.

[4] 拓勇.卫星导航接收机射频前端设计[D].西安：西安电子科技大学,2012.

[5] LASKAR J, MATINPOUR B, CHAKRABORTY S. Modern receiver front-ends systems, circuits,and integration[M]. John Wiley & Sons, 2004.

[6] 王洪.宽带数字接收机关键技术研究及系统实现[D].成都：电子科技大学,2007.

[7] 王顺.基于FPGA的宽频带数字接收机设计[D].北京：中国地质大学,2008.

[8] 张志强,阮黎婷，倪涛，等.ADC模数转换器有效位计算[J].电子科技,2010,23(3):84-85.

[9] 方晓松.TIGiga ADC 介绍及杂散分析[D].成都：电子科技大学,2010.

Research on some techniques for high sensitivity satellite navigation receiver

Zhou Guangtao, Sun Yanmin

(Automation College, Harbin Engineering University, Harbin 150001,China)

With the development of satellite navigation and to provide indoor positioning capability in wireless devices, and high earth orbit satellites require the receiver to work with serious signal attenuation. Therefore, the high sensitivity receiver becomes more and more important. Now, the traditional receiver uses super-heterodyne structure to reduce the pressure from ADC signal sampling and baseband signal processing. However, the receiver sensitivity under this structure has already reached the limit. With the development of ADC, it has become true that RF direct digital sampling can be used in satellite navigation receiver. This paper introduced a RF direct digital sampling scheme based on high-speed ADC. By comparing with super-heterodyne scheme on simulation verification and actual test verifies that the new scheme is practicable. Also, this scheme can improve the sensitivity of receiver obviously, and it has an advantage over traditional structure.

ratio frequency direct sampling; super-heterodyne; sensitivity; satellite navigation

TN911.72

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.020

2016-04-11)

周广涛(1981-)，男，博士，讲师，主要研究方向：无线电导航、导航接收机设计。

孙妍忞(1992-)，通信作者，女，硕士研究生，主要研究方向：导航接收机设计。E-mail:sunymska@163.com。