董自健，宋铁成
东南大学 移动通信国家重点实验室
摘 要：简要介绍了我国卫星定位系统的性能和特点，根据接收机的有关技术指标要求，设计并研制了接收机射频电路，文章的最后给出了电路测试和系统调试的结果。
关键词：卫星定位系统；接收机；射频模块；研制
一、 引言
全球定位系统(Global Position System,简称GPS)是一个全球无线电导航系统，由24颗卫星和地面站组成，现在的系统定位精度可达到米以内。GPS主要有5个功能：定位（Location）、导航（Navigation）、跟踪（Tracking）、测绘（Mapping）和定时（Timing）。目前，GPS已经应用到诸多领域，而且发展前景十分广阔。
为了为各类军事、民用业务提供保障，我国也已经发展了自己的卫星定位导航系统。我国自行研制的卫星定位通信系统是区域性有源三维系统，可以对我国领土、领海及周边地区的用户进行定位及定时授时，并且可以实现各用户之间、用户与中心控制站之间的简短报文通信。其中的后两项功能是GPS所不能提供的。在我国范围，其定位精度与GPS定位精度相当。
二、我国的卫星定位通信系统
我国研制的卫星定位通信系统由２～３颗地球同步卫星、一个中心控制站、若干个标校站及众多的用户机组成，如图1所示。定位主要是通过伪码测距的方式，测出用户到每颗卫星的距离，并利用用户自身提供的测高数据或中心控制站的高速数据库，计算得到用户的定位数据；系统可实现双向报文通信，通信的数据主要为汉字和代码两种形式的短消息；除此以外，用户在收到标准时和信号传输时延后，可获取高精度的时间信息，完成定时授时功能，在特定情况下还可以完成双向定时功能。卫星定位导航系统的建立可为我国陆地、海洋、空中和空间的各类军事和民用提供多种业务保障，如陆上的大地测量、地震预报、各种车辆的运输调度、森林防火、地质勘探和国土开发、航海、航空的安全航行和交通管制、空间飞行器的定位和测控，以及定时授时、移动通信、搜索救援等。
卫星定位通信系统中用户机的整体结构如图2所示，主要包括如下4个模块：射频模块、全数字基带解调解扩模块、终端模块和电源模块。
根据射频指标要求，我们设计了接收机射频模块的实现方案，研制、完成了相应的电路，并与基带模块进行了联合测试。
射频接收电路原理框图如图3所示，主要由天线、低噪放大、带通滤波、一级混频、中频放大、中频滤波、正交混频、基带放大等部分组成。
信号的解调由RF模块和基带模块共同完成，RF模块完成信号的下变频，基带模块完成载波提取、载波锁定指示，进行PN码快速同步、解扩及信号的判决等。这些处理从传统的RF处理改为基带处理，其处理方式也从硬件化的模拟器件处理转化为软件化的数字器件处理方式，从而可靠性高，且易于模块化实现。
1天线及低噪声放大器
卫星转发的下行信号是载波为2 491.75 MHz，用4.08 Mchip/s的PN码进行扩频的扩频信号，载波相位正交偏差小于等于±30°，调制方式为OQPSK，在我国范围内，到达接收机天线的信号功率最小为PR=-127.6 dBm,最大为Pm=-119dBm，所以信号储备△P = 8.6dB。
由于接收模块（以下简称模块）工作频段为2.4GHz，频率较高，所以接收天线尺寸较小。两元阵天线可给出较大的增益GR=7.6 dB。
低噪放大（LNA）电路部分，我们采用安捷伦公司的低噪放大芯片ATF36077、MGA53543进行级联。
2．一级混频及中频放大、滤波
接收机选择二次变频方案，二次变频可以改善数字基带处理的捕获与跟踪性能以及本振泄漏、直流偏差等问题。
模块中频选为fI=76.39 MHz,则第一本振频率可选为f1=2491.75-76.39=2415.36MHz。第一本振采用锁相环路，由频率为16.32MHz的高稳定度基准源（稳定度0.5ppm）进行锁相（本振频率为基准源的148倍次）。本振级频率漂移为：△f1 = 2415.36×106×0.5×10-6=1.2kHz。设接收信号频率漂移为△fR=2.5kHz，则混频后的信号频率漂移数值为：△fS=3.7kHz。
由于中频为76.39MHz，为防止出现镜像干扰，带通滤波器的通带选为50MHz。中频放大采用Mini-Circuit公司的GALI-5,这是一个宽带增益放大芯片。中频放大之后进入声表滤波器（SAW）进行滤波。要求SAW的中心频点是76.39MHz,1 dB带宽为8.16 MHz。
混频芯片采用RFMD公司的RF2494。
3二次混频
模块必须接收2颗卫星的下行信号，提供2个信号通道。2颗卫星下行信号的载频都是2 491.75 MHz，但不可避免地会稍有误差。由于两路信号所处频段相同，可以共用相同的天线、低噪放大、一级混频、中频放大、中频滤波电路，之后，分成两路分别进入2个Costas跟踪环路，分别进行解调。接收模块中的本振2用于同步载波跟踪，它与正交混频电路及基带模块的载波提取电路及DAC一起，构成一个数字Costas跟踪环路。因此，解调器的相干载波由本振2提供。来自基带模块的数字控制信号经过D/A变换后，作为调谐频率的压控信号（VC，即Voltage of Control）送给解调器的压控振荡器（VCO），来微调VCO的频率，使之与载波同步 。为实现较好的跟踪分辨率与较高的跟踪灵敏度，本振2采用压控晶体振荡器。由于模块中频选为fI=76.39 MHz, 则本振2应选为f0=152.78 MHz，这是因为RF2948B的本振输入内部使用了一个1 /2分频器。
输出到基带的电压峰峰值应该大于等于1.0 V。由于是利用4.08 Mchip/s的PN码进行扩频，所以要求在8.16 MHz的带内，I、Q 两路信号的幅度差别不超过10％，即0.46 dB，相位误差不超过0.8 dB。基带也应该给出2个控制信号分别作为2个解调器的增益控制电压（VGC,即Voltageof Gain Control）。
二次混频采用RFMD公司的正交混频芯片RF2948B，它实现信号的放大、正交混频、滤波等任务。输出的I/Q两路基带信号通过A/D变换送给基带处理器。该级的预期总增益为78 dB，基带输出电压
4．模块各级增益的分配
进入接收机低噪放大部分的输入信号为P1=-127.6+7.6=-120dBm，其VEMS=0.447 μV，由此可得接收模块的（不包括天线）总增益计算如下：
由于信号储备8.6dB，所以，最小增益为：Gmim=125.6－8.6=117 dB。
接收机各级增益图如图4所示，其中“/”线上部代表放大器增益。
5．模块噪声系数的要求
信源信息速率为8kbps，进行1/2 的卷积编码，则扩频前的信号速率为16kbps。利用4.08 Mchip/s的PN码进行扩频，其扩频增益为101og(4080/16)=24 dB。
仿真结果表明：如果数据解扩后具有S/N≥-17+24=7.0 dB，也就是要求射频接收部分输出给基带部分的C/N≥-17
dB，就可以实现正常的OQPSK解调。由此算出射频接收电路输入端噪声功率应该低于P=-120+17=-103 dBm=-133 dBW(C/N=-17 dB),相当于Pn=１０Ｐ／１０=5.012×10-14 W。如果接收机带宽为BW=2×4.08=8.16MHz，k=1.38×10-23,T=300°Ｋ，则由Pn=knTBW，接收模块的噪声系数应低于n=1.484，即接收机NF≤10log (n) =1.71dB。但是为了基带部分解调的可靠性，我们可以把C/N增大1 dB作为储备，即C/N=-16dB，由此算出接收机的NF=0.71dB。
放大器前端部分的噪声性能对整个模块的噪声性能贡献最大，我们在低噪放大部分选用了噪声系数比较小的器件ATF36077、MGA53543。其器件噪声系数见图4，“/”线下部代表噪声系数。
四、接收模块性能测试
测试时使用频率发生器和网络分析仪作为模块的信号源。网络分析仪可以产生扫频信号作为信号源从模块的LNA输入，扫频信号经过模块后就可以产生一个频率持续变化的正弦差频信号，用频谱仪和示波器进行记录、观察这个正弦差频信号的频谱特性和幅频特性，就可以定量地测试模块的带宽特性和增益特性。
模块性能实测结果如下：
ATF36077的增益为17dB，MGA53543的增益为12.5dB，两级总增益为29.5dB，两级的噪声系数为0.62dB。
RF2494的增益为22dB，主要的工作在于谐振回路的调节。由网络分析仪进行扫频，用频谱仪进行记录，发现谐振曲线有２个波峰，一个在40MHz左右，另外一个在80MHz左右，调节谐振回路的电容、电感可以使２个波峰同时向同一个方向移动。并联电阻影响谐振回路的Q值。适当调节电阻、电容、电感，可以使RF2494的增益在8.16MHz带内的波动控制在1dB以内（以76.39MHz为中心）。
Gali-5的增益为20dB。
SAW 的插损IL=-18dB，8MHz带内波动不超过1dB，带外抑制70dB。
２个RF2948B的增益均为80 dB，好于器件文件给出的典型增益。输出的I、Q两路信号的正交性较好，在右4.08MHz差频范围内正交性较好，而左边4.08MHz差频处两路信号的幅度相差较大，达到0.8dB，此时在示波器看到的I、Q两路信号的正交特性图不是一个圆，而是一个有些失真的椭圆。I、Q两路信号幅度基本相同，相差最坏处低于0.23dB。
五、结束语
测试结果表明：模块基本达到了预期的设计目标，与基带的初步联合调试成功说明系统设计方案是可行的，且相对于传统的设计方案具有一定的优越性。
模块为基带提供２个信号通路，每个通路的I、Q正交信号都满足设计要求。
模块总增益最大为133.5dB，8.16MHz带内波动1dB以内，模块噪声系数低于0.65。
系统中，载波提取、载波锁定指示、PN码快速同步、解扩及信号的判决等这些传统的RF处理改为基带处理，其处理方式也改为由软件化的数字器件处理，从而可靠性高，且易于模块化实现，便于实现卫星定位接收机的小型化。射频模块也是按照小型化的目标进行设计。
参考文献
［１］陈邦嫒．射频通信电路［Ｍ］．北京：科学出版社，2002
［２］Agilent Application Note:1314,Testing and Troubleshooting Digital RF Communications Receiver Designs［Ｓ］．
［３］高路．双星定位导航系统［Ｊ］．现代通信，1997，（10）．
［４］郝燕玲，等．陆基增强/双星定位组合系统［Ｊ］．哈尔滨工业大学学报，2002，（1）．
摘自 电讯技术
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