周廣濤，孫妍忞
(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)
摘要：隨著衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用范圍不斷拓展，對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)的靈敏度要求越來(lái)越高，高靈敏度可以使接收機(jī)在室內(nèi)或其他衛(wèi)星信號(hào)較弱情況下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)定位和跟蹤。目前傳統(tǒng)接收機(jī)為超外差中頻采樣結(jié)合基帶信號(hào)處理架構(gòu)，該架構(gòu)降低了對(duì)ADC信號(hào)采集以及基帶信號(hào)處理的壓力，但接收機(jī)靈敏度性能已趨于極限。隨著ADC技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行直接數(shù)字采樣已漸漸成為現(xiàn)實(shí)。提出了一種基于高速ADC對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行直接數(shù)字采樣的方案，通過(guò)與傳統(tǒng)超外差中頻采樣方案對(duì)比分析、仿真論證及實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了新方案切實(shí)可行，并且能較大程度提升接收機(jī)靈敏度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞：射頻直接數(shù)字采樣;超外差;靈敏度;衛(wèi)星導(dǎo)航
0引言
隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航接收機(jī)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)的靈敏度要求也越來(lái)越高。目前，市場(chǎng)上的高靈敏度導(dǎo)航接收機(jī)主要依賴(lài)于優(yōu)越的基帶信號(hào)處理算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，而接收機(jī)鏈路架構(gòu)一直采用超外差中頻采樣方式［1］。隨著基帶信號(hào)處理算法的趨于成熟，傳統(tǒng)超外差中頻采樣已難以再進(jìn)一步提升接收機(jī)靈敏度性能。
然而ADC器件不斷發(fā)展，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行直接數(shù)字采樣已漸漸成為現(xiàn)實(shí)。根據(jù)軟件無(wú)線(xiàn)電的要求，天線(xiàn)接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻前端后應(yīng)直接采樣，信號(hào)的濾波、混頻、捕獲、跟蹤等處理則在DSP/FPGA完成［2-3］。相比傳統(tǒng)方式，AD采樣的信號(hào)更趨于射頻前端，因此接收機(jī)鏈路引入的噪聲干擾更低，在基帶算法相同的情況下，接收機(jī)靈敏度性能優(yōu)于傳統(tǒng)超外差中頻采樣方式。
本文詳細(xì)論述了基于高速ADC對(duì)射頻信號(hào)直接數(shù)字采樣的實(shí)現(xiàn)原理，對(duì)比傳統(tǒng)方式進(jìn)行性能分析，最后根據(jù)仿真和系統(tǒng)級(jí)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了方案的優(yōu)越性。
1導(dǎo)航接收機(jī)實(shí)現(xiàn)
接收機(jī)的基本功能就是從空間眾多電磁波中選出有用信號(hào)，并將信號(hào)放大至解調(diào)器所需的功率值，進(jìn)而送入解調(diào)器解調(diào)變換成基帶信號(hào)［4］。目前常用的導(dǎo)航接收機(jī)射頻前端是將天線(xiàn)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、下變頻和增益控制等處理，將微弱的射頻信號(hào)變換成具有一定信噪比的穩(wěn)定中頻或基帶信號(hào)以供數(shù)字端作進(jìn)一步處理［5］。這里提出的射頻直采方案直接使用高速ADC對(duì)信號(hào)采樣再到基帶做進(jìn)一步信號(hào)處理。
1.1超外差中頻采樣實(shí)現(xiàn)
傳統(tǒng)導(dǎo)航接收機(jī)一般采用超外差中頻采樣方式，如圖1所示，主要包括射頻濾波、LNA、混頻、中頻濾波、放大、A/D變換、基帶信號(hào)處理等器件。
1.2射頻直接數(shù)字采樣實(shí)現(xiàn)
對(duì)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行射頻直接數(shù)字采樣的接收機(jī)鏈路主要包括射頻濾波、LNA、放大器、A/D變換、數(shù)字信號(hào)處理等器件，如圖2所示。
針對(duì)導(dǎo)航接收機(jī)的L1波段采用CA碼調(diào)制的信號(hào)，中心頻率f0=1 575.42 MHz，帶寬B=2.048 MHz，則fL=1 574.396 MHz，fH=1 576.444 MHz。根據(jù)帶通采樣定理可以選取ADC采樣率為fs=819.2 MHz。
假設(shè)被采集信號(hào)為：
經(jīng)過(guò)ADC采樣后，得到數(shù)字信號(hào)：
其中,n=kfs,k=0，1，2...
通過(guò)混頻技術(shù)，可得到信號(hào)的正交變量，數(shù)字信號(hào)正交混頻的I路可表示為：
Q路可表示為：
本地振蕩器和低通濾波器模塊是數(shù)字下變頻的核心模塊，其中本地振蕩器采用DDS算法實(shí)現(xiàn)。
在射頻直接采樣系統(tǒng)中，因采樣率高達(dá)819.2 MHz，而一般高性能信號(hào)處理器FPGA工作時(shí)鐘不能超過(guò)300 MHz，因此須采用并行處理方式實(shí)現(xiàn)。基于system generator實(shí)現(xiàn)并行DDS算法模型如圖4所示，實(shí)現(xiàn)并行低通濾波器如圖5所示。
2接收機(jī)靈敏度理論分析
接收機(jī)靈敏度是衡量接收機(jī)在一定條件下能夠接收小信號(hào)的能力，用能夠檢測(cè)的最小信號(hào)功率來(lái)表示［6］。噪聲是限制接收機(jī)靈敏度的主要因素，噪聲的來(lái)源是多方面的，例如電路中的放大器、電阻、混頻器等元器件都會(huì)產(chǎn)生噪聲。噪聲的功率可以表示為：
其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，B為接收機(jī)帶寬，Te為折合后輸入端的噪聲溫度，一般可以用噪聲系數(shù)來(lái)等效地表示噪聲溫度。
一個(gè)理想情況下的接收機(jī)只放大與天線(xiàn)有關(guān)的信號(hào)和噪聲，而不引入其他噪聲。但實(shí)際上接收機(jī)內(nèi)部總會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部噪聲，所以輸入信號(hào)的信噪比要大于輸出信號(hào)的信噪比，噪聲系數(shù)定義為二者之比，即：
工程應(yīng)用中，采用下式計(jì)算接收機(jī)靈敏度［7］：
其中，S為接收機(jī)靈敏度，B為接收機(jī)帶寬（Hz），K為噪聲系數(shù)，S/N為基帶信號(hào)處理門(mén)限。
對(duì)于同一個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)，若不改變基帶信號(hào)處理算法，則接收機(jī)帶寬和基帶信號(hào)處理門(mén)限不變，因此影響接收機(jī)靈敏度的主要因素是接收機(jī)噪聲系數(shù)。而噪聲系數(shù)主要由接收機(jī)鏈路中所采用的微波器件和ADC性能決定。
2.1微波鏈路噪聲分析
射頻直接數(shù)字采樣相比超外差中頻采樣方案在微波鏈路設(shè)計(jì)中，因減少了混頻器、本振等電路，從而減少了噪聲源的引入環(huán)節(jié)，因此理論上在其他工藝技術(shù)環(huán)節(jié)保持不變的情況下，微波鏈路噪聲系數(shù)會(huì)有一定的改進(jìn)。
2.2ADC噪聲分析
ADC噪聲來(lái)源主要包括輸入噪聲和量化噪聲［8］。ADC輸入噪聲是固有噪聲，包括折合的碼元躍遷噪聲。理論上隨著ADC輸入模擬電壓的提高，理想ADC保持恒定的輸出碼元，直至到達(dá)躍遷區(qū)，此時(shí)輸出碼元即刻跳變?yōu)橄乱粋€(gè)值，并且保持該值，直至到達(dá)下一個(gè)躍遷區(qū)，如圖6（a）所示；然而實(shí)際ADC存在一定的碼元躍遷噪聲，如圖6(b)所示，通常把代碼躍遷噪聲折合到ADC的輸入噪聲。
ADC量化噪聲是在模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)過(guò)程中，由于A(yíng)DC的有限解析度而產(chǎn)生的［9］。ADC只能用有限位數(shù)(N)的數(shù)字量表示其輸入電壓。因此ADC的輸入可以看作是由離散形式的模擬輸入加上誤差信號(hào)而構(gòu)成，這些誤差信號(hào)就是ADC的量化誤差，如圖7所示。
對(duì)于高速采樣ADC與低速采樣ADC來(lái)說(shuō)，主要噪聲差別是由量化噪聲引起，輸入噪聲差別相對(duì)較小。由于量化噪聲功率平均分布在0~fs/2，量化噪聲能量是不隨采樣頻率變化的，采樣頻率越高，量化噪聲功率密度將越小，這時(shí)分布在輸入信號(hào)的有用頻譜上的噪聲功率也越小，即提高了信噪比。只要數(shù)字低通濾波器將大于fs/2的頻率分量濾除掉，采樣精度就會(huì)提高。
隨著ADC技術(shù)的發(fā)展，目前高速ADC采用先進(jìn)的折疊+內(nèi)插電路+校準(zhǔn)信號(hào)源的架構(gòu)，并增加適當(dāng)數(shù)量的帶外噪聲擾動(dòng)來(lái)改善ADC的非線(xiàn)性，提高無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍；采用校準(zhǔn)環(huán)路來(lái)優(yōu)化輸入電路的偏置誤差、增益誤差，以達(dá)到最佳的輸出雜散性能，在提高量化位寬的同時(shí)，顯著提高了噪聲性能。
目前高速ADC不僅具備對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行射頻直接采樣的能力，而且通過(guò)提高系統(tǒng)采樣率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)電壓的精細(xì)量化，在保持ADC量化位寬不變的情況下，使ADC量化噪聲較大程度降低。
經(jīng)過(guò)上述理論分析可知，采用射頻直接采樣方案的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)靈敏度性能優(yōu)于傳統(tǒng)超外差中頻采樣方案。
3系統(tǒng)仿真及測(cè)試驗(yàn)證
3.1超外差中頻采樣驗(yàn)證
采用微波鏈路仿真軟件分析超外差混頻射頻前端電路噪聲系數(shù)如圖8所示，得到噪聲系數(shù)為2.79 dB。
基于實(shí)際超外差中頻采樣接收機(jī)系統(tǒng)，采用信號(hào)模擬源作為激勵(lì)，設(shè)置信號(hào)源輸出GPS L1頻點(diǎn)C/A碼，輸出功率為-130 dBm，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到信噪比為-24 dB，在基帶碼元相關(guān)后得到相關(guān)峰如圖9所示。
3.2射頻直接數(shù)字采樣
采用微波鏈路仿真軟件分析射頻直接采樣射頻前端電路噪聲系數(shù)如圖10所示，得到噪聲系數(shù)為1.83 dB。
基于實(shí)際射頻直接數(shù)字采樣接收機(jī)系統(tǒng)，采用信號(hào)模擬源作為激勵(lì)，設(shè)置信號(hào)源輸出GPS L1頻點(diǎn)C/A碼，輸出功率為-130 dBm，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到信噪比為-21 dB，在基帶碼元相關(guān)后得到相關(guān)峰如圖11所示。
3.3對(duì)比分析驗(yàn)證結(jié)果
3.3.1理論分析情況
超外差中頻采樣對(duì)比射頻直接數(shù)字采樣方案接收機(jī)性能理論分析對(duì)比如表1所示。
3.3.2仿真論證情況
對(duì)兩種導(dǎo)航接收機(jī)射頻前端電路實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行仿真論證，得到指標(biāo)性能對(duì)比如表2所示。
可以看出，從仿真分析角度來(lái)看射頻直接采樣方式相比中頻采樣方式靈敏度更好。
3.3.3實(shí)際測(cè)試情況
對(duì)兩種數(shù)字接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行實(shí)際測(cè)試得到指標(biāo)性能對(duì)比如表3所示。
根據(jù)理論定性分析，結(jié)合仿真論證和實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，在當(dāng)前技術(shù)條件下，已具備衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行射頻直接采樣的能力，而且接收機(jī)靈敏度性能更優(yōu)。
4結(jié)論
隨著ADC技術(shù)的不斷發(fā)展，本文提出了基于高速ADC的衛(wèi)星信號(hào)射頻直采方案，可以在基帶算法已經(jīng)趨于成熟的情況下較大程度地提高導(dǎo)航接收機(jī)的靈敏度等技術(shù)指標(biāo)。本文對(duì)比分析了兩種導(dǎo)航接收機(jī)射頻前端設(shè)計(jì)方式，即目前常用的超外差中頻采樣及射頻直接數(shù)字采樣，詳細(xì)討論了射頻直采實(shí)現(xiàn)方案，以靈敏度為技術(shù)指標(biāo)搭建測(cè)試環(huán)境對(duì)二者做仿真論證和實(shí)際測(cè)試，仿真及測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的基于高速ADC的射頻直采方案完全能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的數(shù)字化處理，并且接收機(jī)靈敏度等系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)性能更優(yōu)。
使用傳統(tǒng)超外差方式提高導(dǎo)航接收機(jī)靈敏度已比較困難，而采用高速ADC射頻采樣方案不僅可以在同樣基帶算法的條件下較大程度地提高接收機(jī)靈敏度等指標(biāo)，而且便于采用數(shù)字信號(hào)處理方式實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能，后期系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)改造靈活；同時(shí)，也便于對(duì)大帶寬跳頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信道化處理。軟件無(wú)線(xiàn)電是未來(lái)信息系統(tǒng)數(shù)字化的發(fā)展方向，在此大環(huán)境下，該方案以其更接近軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)架構(gòu)而必將成為一種發(fā)展趨勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
［1］ ROHDE U L, WHITAKER J C. 通信接收機(jī):DSP、軟件無(wú)線(xiàn)電和設(shè)計(jì)［M］. 王文桂，肖曉勁，譯.北京：人民郵電出版社，2001.
［2］ 姜宇柏,游思晴.軟件無(wú)線(xiàn)電原理與工程應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.
［3］ 楊小牛,樓才義,徐建良.軟件無(wú)線(xiàn)電原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.
［4］ 拓勇.衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)射頻前端設(shè)計(jì)［D］.西安：西安電子科技大學(xué),2012.
［5］ LASKAR J, MATINPOUR B, CHAKRABORTY S. Modern receiver frontends systems, circuits,and integration［M］. John Wiley & Sons, 2004.
［6］ 王洪.寬帶數(shù)字接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué),2007.
［7］ 王順.基于FPGA的寬頻帶數(shù)字接收機(jī)設(shè)計(jì)［D］.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2008.
［8］ 張志強(qiáng),阮黎婷，倪濤，等.ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器有效位計(jì)算［J］.電子科技,2010,23（3）:8485.
［9］ 方曉松.TIGiga ADC 介紹及雜散分析［D］.成都：電子科技大學(xué),2010.（收稿日期：20160411）