GLONASS卫星L1信号接收机的设计

王浩杰，姚 楠，曾连荪

（上海海事大学 上海 201306）

随着科技的进步和社会的发展，现代导航技术已经不知不觉地走入了我们的生活当中。智能手机、车载导航仪的普及和广泛应用都促使导航定位进入一个高速发展时期。

“格洛纳斯GLONASS”是俄语中 “全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”的缩写。与美国GPS系统、欧洲伽利略全球卫星定位系统、中国北斗卫星导航系统一起被全球导航卫星系统国际委员会确定为四大核心供应商。格洛纳斯计划启动于1976年的苏联，期间因为苏联解体和资金紧缺计划被搁置。21世纪初随着俄罗斯经济的好转，格洛纳斯也开始恢复元气，俄罗斯联邦太空署宣布于2011年1月1日在格洛纳斯在全球范围内正式运行。现而今，应用GLONASS和GPS双定位系统的智能手机，如iPhone 5、Nokia Lumia 920等商用产品已经大量问世，使得格洛纳斯的应用进入了一个黄金时期，对其研究显得更有实用价值。

为了使GLONASS的定位功能在民用领域得到更广泛的运用，本文在需求分析的基础上，针对L1信号，提出并设计了一种卫星信号的处理电路。

1 GLONASS的信号体制与导航电文

同GPS一样，GLONASS卫星也发射L1、L2两个子载波带的导航信号，并在载波调制上采用二进制相移键控（BPSK）。所不同的是，GLONASS采用的是FDMA技术而不是GPS的CDMA技术。所以按照GLONASS的初始设计，每颗卫星的载波频率是互不相同的，设计如下[1]其 中 ：fL1=1 602 MHz，Δf1=0.562 5 MHz；fL2=1 246 MHz，Δf2=0.437 5 MHz。系数K的取值范围为-7～13，即信号的通频带为：

L1调制的信号有：伪随机测距码（PR）、导航数据、100 Hz辅助的明德码序列（meander）。L2载波上调制的信号有：伪随机测距码（PR）、100 Hz辅助的明德码序列。一般民用用户只处理L1信号，故以下设计根据只涉及L1信号的处理。

2 总体设计

卫星信号接收机一般采用数字接收机。所谓数字接收机就是直接在射频或中品对接收信号进行数字采样，中频直接采样时用一路混频与A/D采样电路对模拟信号进行数字化，然后用数字滤波方法分离出I、Q两路数字基带信号，再通过数字处理器对数字基带信号，再通过数字处理器对数字基带信号进行处理。

图1 接收机系统总体结构图[3]Fig.1 The overall structure of the receiver system

GLONASS的L1信号的中心频率为1 602 MHz，因此，天线的选择上应该选用宽带中心为1.6 MHz的天线以节省成本。在初级放大信号环节，我们选取了Philips公司的微波集成电路放大器BGA2001，根据BGA2001的性能，单级BGA2001的放大器小于20 dB，为了得到令人满意的增益，我们在放大模块中采用多级放大。GLONASS的L1信号介于1 598.062 5 MHz

图2 TA0676A的频率特性Fig.2 Frequency Characteristics of TA0676A

在高频信号放大之后，需要使用下变频器解调来自天线的高达1.6 GHz的射频信号。其原理就是相干解调，去掉调制信号中的载频，将信号编导零中频。

一个载频为 ωc的实调制信号可以表示为:X （t）=a（t）cos[ωct+θ（t）]，则其复信号解析式为：Z（t）=a（t）cos[ωct+θ（t）]+ja（t）sin[ωct+θ（t）]，其中 a（t）表示顺时包络，φ（t）=ωc（t）+θ（t）表示信号的瞬时相位，而 w（t）=dφ（t）/dt=wct+θ（t）表示信号的瞬时角频率。各种调制方式的信号调制信息都包含在这3个特征量中。经正交解调后得到的零中频信号（基带信号）为：ZB（t）=a（t）cosθ（t）+ja（t）sinθ（t）=ZBI（t）+jZBQ（t），式中 ZθI（t）=a（t）cosθ（t），ZBQ（t）=a（t）sinθ（t），分别为基带信号中的同相分量和正交分量，或称I路分量和Q路分量[2]。

这部分的关键是在于产生一个稳定的相干载波。用直接调频法，优点是实现方便，调制信号直接控制正弦波振荡器的频率，使其随调制信号作线性变化，可以获得较大的频偏，缺点是频率稳定度不高。使用间接调频法，先将调职信号积分后对载波进行调相，从而产生一个窄带调频（NBFM），然后将其n次倍频后得到宽带调频（WBFM）信号，优点是频率稳定性好，缺点是需要多次倍频和混频，电路较复杂。在这部分使用的是锁相调频法。锁相环法得到的载波稳定度很高，他在高频率的载波产生上有很大的优势。

在相干载波的产生上，使用的是集成压控振荡射频合成器Si4123。Si4133包括了3个压控振荡器，环路滤波器，参考和VCO分频器，和相位探测器。还包括了可编程分频器和断电设置线串行接口。10针脚是输出，25针脚是芯片使能端，26针脚是时间脉冲输入款，27针脚是芯片寄存器的配置端口，以上3个接口连接上位机，通过上位机的控制，以配置获取稳定的相干载波。

利用锁相环产生一个稳定的标准载波信号，就可以进行相干解调。因为载波中的I信号与Q信号正交。所以产生的中频信号不会产生干扰。在进行一轮低通滤波之后，就可以解析出独立的I、Q两路信号。

这部分采用的是AD8347芯片，AD8347是ADI公司的一款集成有可控增益放大器（AGC）、正交下变频混频器、本地振荡驱动器、可调节DC共模电平的双通道差分放大电路等模块的宽带直接正交解调器。它能够接收800 MHz～2.7 GHz范围内的射频信号输入，只需添加低通滤波器、LO电路及少量的外围器件，即可以直接将输入信号下变频到基带同相/正交（I/Q）分量[4]。

射频输入信号通过两级可控增益放大器（AGC）放大器电路后到达双平衡混频器。混频后输出的基带信号经过独立的I/Q通道AGC电路，转换成功率稳定的差分信号输出，便于对输出信号进行AD采样。

3 硬件设计注意点

由于硬件系统的工作频率很高，需要采用高速电路设计方法，需要注意以下几点：

1）信号完整性 需要对板级系统进行信号完整性仿真，注意阻抗匹配，减小关键信号线之间的串扰，控制数据总线之间的延时；

2）电源完整性 需要对板级系统进行电源完整性仿真，增加线和过孔上所能通过最大电流的裕量，通过在合适的位置加去耦电容，以降低电源和地平面上的交流阻抗；

3）电磁兼容 由于硬件属于模/数混合电路，在布线时需要注意模拟部分和数字部分的隔离，采用独立的模拟电源和数字电源以及模拟地和数字地，特别要注意降低数字部分对模拟部分的干扰；

4）功耗问题 随着系统工作频率的提高，系统的功耗也随之增加，需要对关键器件进行散热处理。

4 结 论

该接收机具有接收GLONASS卫星导航信号的能力，硬件设计采用模块化设计思想，提高了系统的可靠性和维护性。设计功能明确、结构简单、具有很强的通用性和实用性，达到了设计要求。

[1]杨春波，耿建平，纪元法.GLONASS接收机关键技术研究与实现[J].计算机应用，2013，33（S1）:11－14，28.YANG Chun-bo，GENG Jian-ping，JI Yuan-fa.Key technology research and implementation ofGLONASS receiver[J].Journal of Computer Applications，2013，33（S1）:11－14，28.

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