CN102937715A - 北斗一期和北斗二期射频兼容接收方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种北斗一期和北斗二期射频兼容接收方法及装置，主要由电源模块、以及与电源模块相连的天线、低噪声放大模块、射频模块和基带信号处理模块组成。所述低噪声放大模块包括抗干扰滤波器、第一级放大器、功分器、2个窄带滤波器和2个第二级放大器。所述射频模块包括2个下变频器、2个带通滤波器、2个自动增益控制器、2个中频分路器、4个中频滤波器、频率合成器、以及模数转换器。本发明能够解决北斗系统从区域向全球过渡过程中所产生的兼容性问题，实现BD2一期信号与BD2二期信号兼容接收是解决平稳过渡的有效途径。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，特别涉及一种北斗一期和北斗二期射频兼容接收方法及装置。
背景技术
中国北斗卫星导航系统（BD）是继美国GPS、GLONASS、欧洲Galileo之后，全球第四大卫星导航系统。中国北斗卫星导航系统将于2012年覆盖亚太区域，即北斗区域卫星导航系统（BD2一期），2020年将形成由30多颗卫星组网具有覆盖全球的能力，即北斗全球卫星导航系统(BD2二期)。BD是中国独立自主的卫星导航系统，既具备高精度PNT(定位、导航、授时)的功能，又具备短报文通信功能。BD将应用于各行各业，其应用将只限于人们的想象力。由于BD2一期信号与BD2二期信号无论在中心频率、调制方式，以及采用的扩频码、电文等方面均存在着很大的差异。因此BD接收机的研发必须考虑到区域卫星导航系统到全球系统的过渡和兼容，否则，针对区域系统的接收机就不能用在全球系统中，这将不但给用户带来麻烦，也将增加接收机的生产成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种北斗一期和北斗二期射频兼容接收方法及装置，其能够解决北斗系统从区域向全球过渡过程中所产生的兼容性问题，实现BD2一期信号与BD2二期信号兼容接收是解决平稳过渡的有效途径。
为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：
一种北斗一期和北斗二期射频兼容接收装置，主要由电源模块、以及与电源模块相连的天线、低噪声放大模块、射频模块和基带信号处理模块组成。其中：
所述低噪声放大模块包括抗干扰滤波器、第一级放大器、功分器、2个窄带滤波器和2个第二级放大器；天线连接在抗干扰滤波器的输入端上，抗干扰滤波器的输出端经第一级放大器与功分器的输入端相连；功分器的2个输出端上各依次接有1个窄带滤波器与1个第二级放大器。
所述射频模块包括2个下变频器、2个带通滤波器、2个自动增益控制器、2个中频分路器、4个中频滤波器、频率合成器、以及模数转换器。上述低噪声放大模块的每个第二级放大器的输出端各依次经1个下变频器、1个带通滤波器和1个自动增益控制器与1个中频分路器的输入端连 接。每个中频分路器的2个输出端上各接有2个中频滤波器。上述4个中频滤波器的输出端均连接至模数转换器的输入端。模数转换器的输出端与基带信号处理模块相连。频率合成器的分别连接模数转换器和2个下变频器。
上述方案中，频率合成器采用同源的高稳定10MHz晶振作为参考，综合出射频模块所需的各种频率。
上述方案中，频率综合器给2个下变频器提供的本振频率分别为1490MHz和1120MHz，给模数转换器提供的本振频率为62MHz。
上述方案中，天线为贴片式天线。
上述方案中，2个自动增益控制器均采用模拟控制方式。
上述方案中，4个中频滤波器均为声表面波滤波器。
一种北斗一期和北斗二期射频兼容接收方法，包括如下步骤：
（1）天线接收北斗信号，然后送给低噪放大模块进行放大。
（2）低噪放大模块中对天线接收下的信号进行预处理后送入射频模块，即抗干扰滤波器将北斗信号中的带外干扰信号滤除后送至第一级放大器进行低噪声级放大。放大后的信号送入功分器将北斗射频信号中的B1频段和B2频段分开。B1频段和B2频段2路射频信号分别由1个窄带滤波器限制噪声带宽和1个第二级放大器放大增益后送至射频模块。
（3）射频模块从低噪放大模块输出的射频信号进行下变频、滤波、放大，变换成合适的中频信号给基带信号处理模块。即频率综合器采用同源的稳定晶振作为参考，综合出模块所需的各种频率。2个下变频器在频率合成器的控制下，分别对滤波放大后的B1频段射频信号和B2频段射频信号进行下变频为B1频段中频信号和B2频段中频信号。2个带通滤波器对B1频段中频信号和B2频段中频信号进行中频滤波。2个自动增益控制器分别对滤波后的B1频段中频信号和B2频段中频信号进行自动增益控制。2个中频分路器分别对增益后的B1频段中频信号和B2频段中频信号各进行分频为2路分频信号。4个中频滤波器分别对4路分频信号进行带通采样。模数转换器在频率合成器的控制下，分别将4路带通采样信号进行模数转换后送至基带信号处理模块。
上述方案中，频率合成器采用同源稳定的10MHz晶振作为参考，综合出射频模块所需的各种频率。
上述方案中，频率综合器给处理B1频段射频信号的下变频器提供的本振频率为1490MHz，频率综合器给处理B2频段射频信号的下变频器提供的本振频率为1120MHz；频率综合器给模数转换器提供的本振频率为62MHz。
与现有技术相比，本发明通过对天线、LNA、下变频单元和基带的合理设计，即通过赋形和增益的分配，实现天线的宽频带、小型化和抗多径设计。为了安装的灵活性，低噪声放大器（LNA）与天线独立设计，LNA 主要由抗干扰滤波器、第一级放大器、窄带滤波器、第二级放大器构成。射频模块采用一次变频结构，其频率方案的选择不产生组合频率干扰、交调、互调干扰。频率综合器采用同源的高稳定10MHz晶振作为参考。为了完成北斗一期和北斗二期信号的兼容接收，4个中频滤波器实现采用声表面波滤波器，可以保证稳定的幅度与相位特性。AGC的控制采用模拟控制方式。因此本发明能够在不增加设计复杂度和体积的前提下，可以兼容接收北斗一期和北斗二期信号，实现了北斗区域系统到全球系统的平稳过渡，降低用户段在系统升级带来的额外成本。
附图说明
图1为一种优选北斗一期和北斗二期射频兼容接收装置的原理示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明一种优选的北斗一期和北斗二期射频兼容接收装置，主要由电源模块、以及与电源模块相连的天线、低噪声放大模块、射频模块和基带信号处理模块组成。在工作中，接收机从天线接收北斗卫星信号，到完成定位解算，要经过射频模块完成信号下变频、A/D转换为中频数字信号，基带信号处理模块完成信号的同步及导航信息的电文解码、伪距提取和PVT计算，最后再将定位信息串口输出。
在本发明中，天线用于接收北斗导航信号，然后送给低噪放大模块进行放大。天线和低噪放的性能好坏直接影响到接收机灵敏度、抗多径、抗干扰等指标。为了完成北斗一期和北斗二期信号的兼容接收，要求天线宽频带。在本发明优选实施例中，天线指标要求如表1所示。
表1 天线技术指标
所述天线可以采用现有技术已有的天线结构，但为了实现天线的小型化和波束的赋形，本发明的天线需要根据卫星分布和用户使用区域，对天线方向图进行赋形设计，合理分配天线增益；并根据天线安装空间、天线 方向图和性能指标要求，对天线进行选型，并进行理论分析和论证，计算出天线基本参数。此外，天线设计时注意控制辐射方向图的特性，增加抗多径干扰能力。
鉴于天线小型化的要求，本发明可以选用贴片天线来实现，贴片天线具有体积小，波瓣宽，易于共形等优点。而为了进一步缩小天线体积，本发明还可以进一步采用高介电常数材料作为天线基板。此外，可以双层贴片来拓展贴片天线带宽（既增加一贴片寄生单元），来避免贴片天线频带窄的缺点。
为了安装的灵活性，在本发明中，低噪声放大模块与天线分别独立设计，而对于低噪声放大模块的指标要求如表2所示：
表2 LNA指标要求
在本发明中，所述低噪声放大模块包括抗干扰滤波器、第一级放大器、功分器、2个窄带滤波器和2个第二级放大器。天线连接在抗干扰滤波器的输入端上，抗干扰滤波器的输出端经第一级放大器与功分器的输入端相连。功分器的2个输出端上各由1个窄带滤波器与1个第二级放大器的输入端相连。低噪放大模块的供电通过输出的射频电缆馈入。抗干扰滤波器的作用是滤除带外干扰信号，为了获得好的噪声指标，其插损应尽可能小。第一级放大器是低噪声级，对低噪放模块的噪声系数起主要作用，可用微波场效应管实现。功分器是把两路B1和B2信号分开，插损指标可以放松。窄带滤波器的作用是限制噪声带宽，插损指标可以放松。第二级放大器用于提供一定的增益。其指标分配如表3所示。
表3 低噪放模块各级指标分配
在本发明中，射频模块的功能主要是把从低噪放输出的射频信号进行下变频、滤波、放大，变换成合适的中频信号给基带信号处理模块。射频模块应该包含下列主要功能：信号放大，射频至中频的变频与滤波，本地频率综合，低噪放的供电，AGC，AD转换。
所述射频模块包括2个下变频器、2个带通滤波器、2个自动增益控制器、2个中频分路器、4个中频滤波器、频率合成器、以及模数转换器。上述低噪声放大模块的每个第二级放大器的输出端各依次经1个下变频器、1个带通滤波器和1个自动增益控制器与1个中频分路器的输入端连接。2个中频分路器中的1个中频分路器具有2个输出端，这2个输出端上各接有1个中频滤波器，另1个中频分路器也具有2个输出端，这2个输出端上各接有1个中频滤波器。上述4个中频滤波器的输出端均连接至模数转换器的输入端。模数转换器的输出端与基带信号处理模块相连。频率合成器的分别连接模数转换器和2个下变频器。
采用一次变频结构，对信号的滤波与放大，频率方案的选择首先考虑不产生组合频率干扰、交调、互调干扰。频率综合器采用同源的高稳定10MHz晶振作为参考，综合出模块所需的各种频率，倍频锁相环路工作在整数分频模式，降低相位噪声。射频模块的通带特性主要放在中频滤波级实现，即5个中频滤波器均采用声表面波滤波器，可以保证稳定的幅度与相位特性。AGC的控制采用模拟控制方式。
①信号流程
射频模块把经过低噪放模块放大的信号进行下变频、滤波、放大后送给基带信号处理单元，并提供62MHz时钟信号给中频处理使用。其中滤波器用来限定射频通道的带外抑制特性。
②频率分配
合理的频率分配，可以使电路的结构简化，同时获得较好的抗干扰特性，基准频率为10MHz，在频率配置中主要考虑减少信号和本振的组合干扰、镜像频率干扰、交调与互调干扰，同时靠近标称频率，方便器件选择。具体的频率流程如表4。
表4 频率流程
| 频段 | 射频（MHz） | 射频本振（MHz） | 中频（MHz） |
| BD2一期的B1 | 1561.098 | 1490 | 71.098 |
| BD2一期的B2 | 1207.14 | 1120 | 87.14 |
| BD2二期的B1 | 1575.42 | 1490 | 85.42 |
| BD2二期的B2 | 1191.795 | 1120 | 31.795 |
[0042] 可见，频率综合器给处理B1频段射频信号的下变频器提供的本振频率为1490MHz，频率综合器给处理B2频段射频信号的下变频器提供的本振频率为1120MHz；频率综合器给模数转换器提供的本振频率为62MHz。
本发明在进行频率综合器的设计时，主要考虑接收信号与接收本振的组合频率干扰，本振之间的组合频率干扰，低阶组合频率干扰计算方法与结果如表5。
表5 低阶组合频率干扰计算方法与结果
| F1 | 2F1 | 3F1 | |
| F2 | F2-F1 | F2-2F1 | F2-3F1 |
| 2F2 | 2F2-F1 | 2F2-2F1 | 2F2-3F1 |
| 3F2 | 3F2-F1 | 3F2-2F1 | 3F2-3F1 |
| 1140 | 2280 | 3420 | |
| 1207.14 | 67.14 | -1072.86 | -2242.86 |
| 2352.9 | 1212.9 | 72.9 | -1097.1 |
| 3529.35 | 2389.35 | 1249.35 | 109.35 |
| 1490 | 2980 | 4470 | |
| 1575.42 | 85.42 | -1464.58 | -2894.58 |
| 3150.84 | 1660.84 | 170.84 | -1319.16 |
| 4726.26 | 3236.26 | 1746.26 | 256.26 |
通过各项组合频率和保护带宽的计算，可以看出上述频率综合器的频率规划可以避免各组合频率分量引入的混叠干扰。
而在本发明中，4个中频滤波器的带通采样需要避免镜像频谱混叠，形成自干扰，带通采样频率混叠的计算方法与结果如表6。
表6 带通采样频谱混叠的计算方法与结果
| 2fs | 1fs | 0fs | -fs | -2fs | |
| fif | |fif-2fs| | |fif-fs| | |fif| | |fif+fs| | |fif+2fs| |
由上表可以看出，BD2一期B1频点和BD2二期B1频点分别为40.098MHz和56.86MHz带宽为4.092MHz，在此带内不存在频谱混叠的现象，同理，BD2一期B2频点和BD2二期B2频点分别为26.58MHz和70.205MHz，带宽为51.15MHz不存在频谱混叠的现象。
③指标分配
射频模块在完成下变频、滤波、放大功能的同时，还应该保持良好的线性工作状态。首先需要计算一下射频模块所需的增益，由于卫星信号完全淹没在噪声中，所以在增益计算时只考虑噪声电平。其增益分配如表7和8所示。
表7 一期B1和二期B1射频模块增益计算
| 天线输入端的噪声功率谱密度KT | -174dBm/Hz |
| 天线低仰角增益 | -3dBi |
| 低噪放增益 | 35dB |
| 系统噪声系数 | 1.3dB |
| 通道带宽 | 5MHz |
| 射频模块输入端带内噪声功率 | -73.7dBm |
| 射频模块输出端带内噪声功率 | -2dBm |
| AGC范围 | 30dB |
| 射频模块增益 | 74.7dB（变化范围±15dB） |
表8 一期B2和二期B2射频模块增益计算
| 天线输入端的噪声功率谱密度KT | -174dBm/Hz |
| 天线低仰角增益 | -3dBi |
| 低噪放增益 | 35dB |
| 系统噪声系数 | 1.3dB |
| 通道带宽 | 52MHz |
| 射频模块输入端带内噪声功率 | -63.54dBm |
| 射频模块输出端带内噪声功率 | -2dBm |
| AGC范围 | 30dB |
| 射频模块增益 | 63.54dB（变化范围±15dB） |
[0062] 上述接收装置所实现的北斗一期和北斗二期射频信号兼容接收方法，包括如下步骤：
（1）天线接收北斗信号，然后送给低噪放大模块进行放大。
（2）低噪放大模块中对天线接收下的信号进行预处理后送入射频模块，即抗干扰滤波器将北斗信号中的带外干扰信号滤除后送至第一级放大器进行低噪声级放大。放大后的信号送入功分器将北斗射频信号中的B1频段和B2频段分开。B1频段和B2频段2路射频信号分别由1个窄带滤波器限制噪声带宽和1个第二级放大器放大增益后送至射频模块。
（3）射频模块从低噪放大模块输出的射频信号进行下变频、滤波、放大，变换成合适的中频信号给基带信号处理模块。即频率综合器采用同源的稳定晶振作为参考，综合出模块所需的各种频率。2个下变频器在频率合成器的控制下，分别对滤波放大后的B1频段射频信号和B2频段射频信号进行下变频为B1频段中频信号和B2频段中频信号。2个带通滤波器对B1频段中频信号和B2频段中频信号进行中频滤波。2个自动增益控制器分别对滤波后的B1频段中频信号和B2频段中频信号进行自动增益控制。2个中频分路器分别对增益后的B1频段中频信号和B2频段中频信号进行分频，其中1个中频分路器将B1频段中频信号分为2路分频信号，另1个中频分路器将B2频段中频信号也分为2路分频信号。4个中频滤波器分别对4路分频信号进行带通采样。模数转换器在频率合成器的控制下，分别将滤波4路信号进行模数转换后送至基带信号处理模块。在本发明中，频率合成器采用同源稳定的10MHz晶振作为参考，综合出射频模块所需的各种频率。频率综合器给处理B1频段射频信号的下变频器提供的本振频率为1490MHz，频率综合器给处理B2频段射频信号的下变频器提供的本振频率为1120MHz。频率综合器给模数转换器提供的本振频率为62MHz。
Claims (9)
1.北斗一期和北斗二期射频信号兼容接收装置，主要由电源模块、以及与电源模块相连的天线、低噪声放大模块、射频模块和基带信号处理模块组成，其特征在于：
所述低噪声放大模块包括抗干扰滤波器、第一级放大器、功分器、2个窄带滤波器和2个第二级放大器；天线连接在抗干扰滤波器的输入端上，抗干扰滤波器的输出端经第一级放大器与功分器的输入端相连；功分器的2个输出端上各依次接有1个窄带滤波器与1个第二级放大器；
所述射频模块包括2个下变频器、2个带通滤波器、2个自动增益控制器、2个中频分路器、4个中频滤波器、频率合成器、以及模数转换器；上述低噪声放大模块的每个第二级放大器的输出端各依次经1个下变频器、1个带通滤波器和1个自动增益控制器与1个中频分路器的输入端连接；每个中频分路器的2个输出端上各接有2个中频滤波器；上述4个中频滤波器的输出端均连接至模数转换器的输入端；模数转换器的输出端与基带信号处理模块相连；频率合成器的分别连接模数转换器和2个下变频器。
2.根据权利要求1所述北斗一期和北斗二期射频信号兼容接收装置，其特征在于：频率合成器采用同源稳定的10MHz晶振作为参考，综合出射频模块所需的各种频率。
3.根据权利要求1或2所述的北斗一期和北斗二期射频信号兼容接收装置，其特征是：频率综合器给2个下变频器提供的本振频率分别为1490MHz和1120MHz，给模数转换器提供的本振频率为62MHz。
4.根据权利要求1所述北斗一期和北斗二期射频信号兼容接收装置，其特征在于：天线为贴片式天线。
5.根据权利要求1所述北斗一期和北斗二期射频信号兼容接收装置，其特征在于： 2个自动增益控制器均采用模拟控制方式。
6.根据权利要求1所述北斗一期和北斗二期射频信号兼容接收装置，其特征在于： 4个中频滤波器均为声表面波滤波器。
7.北斗一期和北斗二期射频信号兼容接收方法，其特征是包括如下步骤：
（1）天线接收北斗信号，然后送给低噪放大模块进行放大；
（2）低噪放大模块中对天线接收下的信号进行预处理后送入射频模块，即抗干扰滤波器将北斗信号中的带外干扰信号滤除后送至第一级放大器进行低噪声级放大；放大后的信号送入功分器将北斗射频信号中的B1频段和B2频段分开；B1频段和B2频段2路射频信号分别由1个窄带滤波器限制噪声带宽和1个第二级放大器放大增益后送至射频模块；
（3）射频模块从低噪放大模块输出的射频信号进行下变频、滤波、放大，变换成合适的中频信号给基带信号处理模块；即频率综合器采用同源的稳定晶振作为参考，综合出模块所需的各种频率；2个下变频器在频率合成器的控制下，分别对滤波放大后的B1频段射频信号和B2频段射频信号进行下变频为B1频段中频信号和B2频段中频信号；2个带通滤波器对B1频段中频信号和B2频段中频信号进行中频滤波；2个自动增益控制器分别对滤波后的B1频段中频信号和B2频段中频信号进行自动增益控制；2个中频分路器分别对增益后的B1频段中频信号和B2频段中频信号各进行分频为 2路分频信号；4个中频滤波器分别对4路分频信号进行带通采样；模数转换器在频率合成器的控制下，分别将滤波4路信号进行模数转换后送至基带信号处理模块。
8.根据权利要求7所述的北斗一期和北斗二期射频信号兼容接收方法，其特征是：频率合成器采用同源稳定的10MHz晶振作为参考，综合出射频模块所需的各种频率。
9.根据权利要求7或8所述的北斗一期和北斗二期射频信号兼容接收方法，其特征是：频率综合器给处理B1频段射频信号的下变频器提供的本振频率为1490MHz，频率综合器给处理B2频段射频信号的下变频器提供的本振频率为1120MHz；频率综合器给模数转换器提供的本振频率为62MHz。
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