CN101055309A - 导航卫星信号的可配置通用射频处理方法和系统 - Google Patents

导航卫星信号的可配置通用射频处理方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种导航卫星信号的可配置通用射频处理方法和系统，利用宽带低噪声放大器对导航卫星射频信号进行放大，宽带低噪声放大器的工作范围覆盖两种或两种以上的导航卫星射频信号；将放大的导航卫星射频信号与频率可设置的本地载波进行混频，得到中频信号。利用可配置锁相环产生频率可设置的本地载波。本发明是一种新的导航卫星信号的通用可编程配置的射频处理技术，具有通用、统一的电路，当进行不同的设置时，可以接收不同频率、带宽的导航卫星信号，结构简单、成本低、灵活性高，有利于多模卫星导航接收机的设计。

Description

导航卫星信号的可配置通用射频处理方法和系统
技术领域
本发明涉及卫星导航领域，特别是一种导航卫星信号的可配置通用射频处理方法和系统，该方法和系统适用于各种导航卫星体制、各种频率、各种码的卫星信号的射频处理，包括美国的GPS系统、欧洲的伽利略系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗系统等，以及未来可能出现的新的卫星导航体制和新的卫星信号。本发明使得可以基于一个通用的射频电路，只需要根据不同的频率、带宽，经过不同的设置，就可以接收相应导航卫星的信号，不论其体制、频率和码型，具有通用性、灵活性、成本低的优点。另外，射频电路输出的数字中频信号经过可配置数字处理模块，包括可配置数字混频器，可配置数字滤波器，可配置降采样等，使得最终输出的数字中频信号的中频频率、带宽、采样频率、采样点的比特数可设置，以增加射频处理部分输出的灵活性，最大限度的与数字基带处理部分的要求匹配。
背景技术
卫星导航系统是一种通过接收机接收多颗导航卫星信号，接收机根据接收到的导航卫星信号进行运算得到接收机位置的系统。一般卫星导航系统由分布于不同轨道平面的多颗导航卫星组成，以保证在任何时间，应用范围内的任何地点都可以接收到多颗导航卫星的信号，比如对于现在运行的美国GPS(Global Positioning System全球定位系统)系统的应用范围是全球，就要保证在任何时间、全球的任何地点可以接收到至少四颗导航卫星的信号。卫星导航接收机就是接收导航卫星信号，并根据接收到的卫星信号经过运算，得到位置、时间、速度的装置。
图1是卫星导航接收机的组成的原理框图。卫星导航接收机通常由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括天线、射频部分、基带处理。天线将空间中的导航卫星电磁波转变为电信号。射频部分将导航卫星信号放大、下变频、中频滤波、中频放大、数模变换，最后输出数字中频信号。基带处理一般是数字电路，处理来自射频部分的数字中频信号，主要包括相关器、中频载波生成、码时钟生成等部分。软件部分运行在处理器上，根据基带处理部分的结果进行运算，得到接收机的位置、速度和时间等，同时写入控制参数到基带处理部分。
射频处理部分是卫星导航接收机的必不可少的部分，也是最前端的部分，图2是目前卫星导航接收机射频处理部分的原理框图。低噪声放大器先将射频信号放大，该部分处于系统的最前端，要求具有较低的噪声系数和适当的增益，以保证整个系统的噪声性能。锁相环将本地时钟倍频产生本地载波，与射频信号混频，得到频率较低(几MHz～几十MHz)的中频信号。滤波器是一带通滤波器，将一定频带外的噪声滤除。当模数变换多于1比特时，需要增益控制放大器以保证输入模数变换的信号的幅度合适，如果模数变换只是1比特，则只需要一般的放大器。模数变换是将中频模拟信号变为1比特或多比特的数字信号，数字信号可以被进一步进行数字信号处理。上述结构虽然被目前所有市场上的卫星导航接收机采用，但其存在如下不足之处。目前国际上存在着多种卫星导航体制，包括美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的伽利略系统、中国的北斗系统等，以后也有可能会出现更多的卫星导航系统。不同体制的导航卫星信号的结构不同，包括频率、带宽、码型等都不一样，即使是同一个卫星导航体制，也存在着不同频率和带宽的多种信号。如GPS系统中既有L1信号(频率是1.57542GHz)，也有L2信号(频率是1.2276GHz)，L1信号中又有C/A码(带宽2MHz)和P码(带宽20MHz)，以后还会增加L5信号(频率是1.17645GHz)。而采用上述现有导航卫星射频处理方法的电路由于参数固定，只能固定接收单一类型的导航卫星信号，如只能接收L1频率的C/A码，如果要接收其它频率的导航卫星信号，则要采用另外的电路。随着导航卫星体制的增加，及新频率、新信号的出现，将会有越来越多不同的射频电路接收导航卫星信号。这将不利于多模卫星导航接收机的设计，电路缺乏灵活性，成本也相对较高。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种导航卫星信号的可配置通用射频处理方法。
本发明还提供一种导航卫星信号的可配置通用射频处理系统。
本发明技术方案如下：
导航卫星信号的可配置通用射频处理方法，其特征在于包括以下步骤：利用宽带低噪声放大器对导航卫星射频信号进行放大，宽带低噪声放大器的工作范围覆盖两种或两种以上的导航卫星射频信号；将放大的导航卫星射频信号与频率可设置的本地载波进行混频，得到中频信号。
利用可配置锁相环产生频率可设置的本地载波。
所述导航卫星射频信号的频率位于1～2GHz的范围内。
本地载波的频率设置符合以下关系式：fIF＝|fs-f0|，其中fIF为中频信号的中频频率，fs为导航卫星信号频率，f0为本地载波频率；并且不同频率的导航卫星信号的fs不同，通过选择相应的f0，使得中频频率fIF基本保持恒定。
还包括中频放大、滤波、增益控制放大和模数变换步骤，在模数变换之后，有选择地对数字中频信号进行以下的一种或几种数字处理：数字混频、数字滤波、数字降采样；经过数字处理后，数字中频信号的中频频率、带宽、采样率都可以被改变。
导航卫星信号的可配置通用射频处理系统，包括混频器，该混频器分别连接低噪声放大器和锁相环，其特征在于：所述低噪声放大器为宽带低噪声放大器，其工作范围覆盖两种或两种以上的导航卫星射频信号；所述锁相环为具有数据接口的可配置锁相环；所述数据接口用于写入配置信息，所述可配置锁相环产生频率可设置的本地载波。
所述导航卫星射频信号的频率位于1～2GHz的范围内；可配置锁相环产生频率可设置的本地载波；本地载波的频率设置符合以下关系式：fIF＝|fs-f0|，其中fIF为中频信号的中频频率，fs为导航卫星信号频率，f0为本地载波频率；并且不同频率的导航卫星信号的fs不同，通过选择相应的f0，使得中频频率fIF基本保持恒定。
还包括顺序连接的中频放大器、滤波器、增益控制放大器和模数变换器，所述中频放大器连接所述混频器，所述模数变换器与以下的一个或几个可配置数字处理模块相串联：可配置数字混频器，可配置数字滤波器，可配置降采样；各种配置信息通过数据接口写入；所述可配置降采样输出数字中频信号。
本发明技术效果如下：
本发明的导航卫星信号的可配置通用射频处理方法和系统，是一种新的导航卫星信号的通用可编程配置的射频处理技术，具有通用、统一的电路，当进行不同的设置时，可以接收不同频率、带宽的导航卫星信号，结构简单、成本低、灵活性高，有利于多模卫星导航接收机的设计。
采用本发明的多模卫星导航接收机既可以通过分立元器件实现，也可以通过集成电路实现。
附图说明
图1是卫星导航接收机的组成的原理框图。
图2是现有技术中卫星导航接收机射频处理部分的原理框图。
图3是本发明的导航卫星信号的通用可配置射频处理方法的原理框图。
图4是本发明的导航卫星信号的通用可配置射频处理系统的原理框图。
图5是本发明的带有可配置数字处理模块的射频处理系统的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图3为本发明的导航卫星信号的通用可配置射频处理方法的原理框图。首先，射频信号经过宽带低噪声放大，其带宽应覆盖整个卫星导航波段，可对不同频率的导航卫星信号进行低噪声放大。例如，现有的导航卫星的信号都在1～2GHz范围内，低噪声放大的工作范围可定为1～2GHz。现有的卫星导航接收机的射频部分的低噪声放大的工作范围较窄，一般只是覆盖所接收的导航卫星信号，例如，对于目前只能接收GPS L1频率C/A的接收机，低噪声放大的工作范围是以1.57542GHz为中心频率，带宽一般为几十MHz。本地载波的频率可设置而不是固定的，本地载波与射频信号混频得到中频信号，中频信号的频率fIF＝|fs-f0|，其中fs为导航卫星信号频率，f0为本地载波频率。不同频率的导航卫星信号的fs不同，通过选择相应的f0，使得中频频率fIF基本保持恒定，这样可以便于后面的处理。例如，如果要使fIF保持为10MHz，对于GPS L1信号，信号频率fs为1.57542GHz，则本地载波频率f0可以设为1.56542GHz；对于GPS L2信号，信号频率fs为1.2276GHz，则本地载波频率f0可以设为1.2176GHz；对于GLONASS信号，信号频率fs为1.602GHz，则本地载波频率f0可以设为1.592GHz；对于伽利略E6信号，信号频率fs为1.27875GHz，则本地载波频率f0可以设为1.26875GHz；对于伽利略E5a信号，信号频率fs为1.17645GHz，则本地载波频率f0可以设为1.16645GHz；对于北斗B1信号，信号频率fs为1.561098GHz，则本地载波频率f0可以设为1.551098GHz。而现有的卫星导航接收机射频部分中的本地载波频率是固定不变的。中频放大、滤波、增益控制放大、模数变换部分基本与现有的卫星导航接收机的射频处理方法相同。根据需要，在模数变换之后，可有选择的对信号进行数字处理，包括数字混频、数字滤波、数字降采样，数字处理可以包括其中的一种或几种。经过数字处理后，数字中频信号的中频频率、带宽、采样率都可以被改变。
图4为本发明的导航卫星信号的通用可配置射频处理系统的原理框图。首先，低噪声放大器的带宽应覆盖整个卫星导航波段，可对不同频率的导航卫星信号进行低噪声放大，现有的卫星导航接收机的射频部分的低噪声放大器的带宽较窄，一般只是覆盖所接收的导航卫星信号。锁相环为可配置，根据要接收的导航卫星信号的频率，可以产生出不同频率的本地载波信号。混频器的作用是混频得到中频信号。当导航卫星信号频率的fs不同时，可配置锁相环也产生相对应的f0，使得中频频率fIF基本保持恒定，这样可以便于后面电路的处理。而现有的卫星导航接收机射频部分中的本地载波频率是固定不变的。中频放大器、滤波器、增益控制放大器、模数变换器部分基本与现有的卫星导航接收机的射频部分中的相同，最终可得到数字中频信号。数据接口是用于写入配置信息，可以是如SPI接口等的任意数据接口。
数字中频信号作为数字基带处理部分的输入，有时数字基带处理部分对于数字中频信号有不同的要求，包括要改变数字中频信号的带宽、中频频率、采样频率、采样点比特数等。所以，如图5所示，在图4的实现装置的基础之上，还可以增加几个可配置数字处理模块。其中包括：可配置数字混频器可以根据要求设置不同的本地载波频率，任意改变中频频率，得到新的中频频率；可配置数字滤波器的阶数、系数可设，可以任意设定带宽和滤波特性，如可以将20MHz带宽的信号变为2MHz带宽的信号，还可以滤除某些指定频带的信号；可配置降采样可以任意降低数字中频信号的采样率，如当信号带宽小、中频频率低时，可以采用较低的采样频率，以降低数字基带处理部分的运算速度。另外，上述各模块中的可配置的含义还包括数字中频信号也可以不经过其中的一个或几个模块的处理。可配置数字处理模块可以增加射频处理部分输出的灵活性，可以最大限度的与数字基带处理部分的要求匹配。各种配置信息也是通过一个数据接口写入。
本发明适用于各种导航卫星体制、各种频率、各种码的卫星信号的射频处理，包括美国的GPS系统、欧洲的伽利略系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗系统等，以及未来可能出现的新的卫星导航体制和新的卫星信号，也包括广域增强卫星信号，如现有的北美的WAAS系统、欧洲的EGNOS系统，以及以后可能出现的新的广域增强卫星系统。本发明可以使一个固定的通用的射频电路，经过不同的设置，就可以接收任意导航卫星的信号，不论其体制、频率和码型，具有通用性、灵活性、成本低的优点。该射频处理方法既可以通过分立元器件实现，也可以通过集成电路实现。
本发明的方法和系统具有以下特点：
1.可以应用于任何卫星导航体制，包括美国的GPS系统，俄罗斯GLONASS系统，欧洲的伽利略系统，中国的北斗系统，以及以后可能出现的新的卫星导航体制和新的导航卫星信号。
2.可以处理广域增强卫星信号，包括现有的北美的WAAS系统、欧洲的EGNOS系统，以及以后可能出现的新的广域增强卫星系统。
3.主要创新点是：宽带低噪声放大器，覆盖整个卫星导航信号波段；可配置锁相环产生频率可设置的本地载波；对不同频率的导航卫星信号，中频频率基本固定，以简化后面的电路。
4.可以增加可配置数字处理模块，包括可配置数字混频器，可配置数字滤波器，可配置降采样，使得最终输出的数字中频信号的中频频率、带宽、采样频率、采样点比特数可设置，以增加射频处理部分输出的灵活性，最大限度的与数字基带处理部分的要求匹配。
5.可配置数字处理模块，可以是前述中的一个或几个模块。
6.数据接口用于写入各种配置信息。

Claims (8)

1.导航卫星信号的可配置通用射频处理方法，其特征在于包括以下步骤：利用宽带低噪声放大器对导航卫星射频信号进行放大，宽带低噪声放大器的工作范围覆盖两种或两种以上的导航卫星射频信号；将放大的导航卫星射频信号与频率可设置的本地载波进行混频，得到中频信号。
2.根据权利要求1所述的导航卫星信号的可配置通用射频处理方法，其特征在于：利用可配置锁相环产生频率可设置的本地载波。
3.根据权利要求1所述的导航卫星信号的可配置通用射频处理方法，其特征在于：所述导航卫星射频信号的频率位于1～2GHz的范围内。
4.根据权利要求1所述的导航卫星信号的可配置通用射频处理方法，其特征在于：本地载波的频率设置符合以下关系式：fIF＝|fs-f0|，其中fIF为中频信号的中频频率，fs为导航卫星信号频率，f0为本地载波频率；并且不同频率的导航卫星信号的fs不同，通过选择相应的f0，使得中频频率fIF基本保持恒定。
5.根据权利要求1所述的导航卫星信号的可配置通用射频处理方法，其特征在于：还包括中频放大、滤波、增益控制放大和模数变换步骤，在模数变换之后，有选择地对数字中频信号进行以下的一种或几种数字处理：数字混频、数字滤波、数字降采样；经过数字处理后，数字中频信号的中频频率、带宽、采样率都可以被改变。
6.导航卫星信号的可配置通用射频处理系统，包括混频器，该混频器分别连接低噪声放大器和锁相环，其特征在于：所述低噪声放大器为宽带低噪声放大器，其工作范围覆盖两种或两种以上的导航卫星射频信号；所述锁相环为具有数据接口的可配置锁相环；所述数据接口用于写入配置信息，所述可配置锁相环产生频率可设置的本地载波。
7.根据权利要求6所述的导航卫星信号的可配置通用射频处理系统，其特征在于：所述导航卫星射频信号的频率位于1～2GHz的范围内；可配置锁相环产生频率可设置的本地载波；本地载波的频率设置符合以下关系式：fIF＝|fs-f0|，其中fIF为中频信号的中频频率，fs为导航卫星信号频率，f0为本地载波频率；并且不同频率的导航卫星信号的fs不同，通过选择相应的f0，使得中频频率fIF基本保持恒定。
8.根据权利要求6所述的导航卫星信号的可配置通用射频处理系统，其特征在于：还包括顺序连接的中频放大器、滤波器、增益控制放大器和模数变换器，所述中频放大器连接所述混频器，所述模数变换器与以下的一个或几个可配置数字处理模块相串联：可配置数字混频器，可配置数字滤波器，可配置降采样；各种配置信息通过数据接口写入；所述可配置降采样输出数字中频信号。
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