CN103885072A - 单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法及实现该方法的装置 - Google Patents

Abstract

单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法及实现该方法的装置，涉及射频通信以及卫星导航领域。它是为了简化多频多系统采集设备结构，降低采样频率，从而达到降低采样器设备成本的目的。其方法是：通过有源天线接收N个频点为f_{c_i}的卫星导航信号，并经过一级低噪声放大器后送入混频器；采用晶体振荡器产生晶振信号并经倍频处理后送入混频器；采用混频器将获得的GNSS放大后信号分别与晶振信号在选定的混频频率下进行混频，获得GNSS中频信号；采用中频滤波器对获得的GNSS中频信号进行中频滤波；将获得的中频滤波后的信号进行模数转换后输出。本发明适用于采集多频点多系统卫星导航信号。

Description

单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法及实现该方法的装置

技术领域

本发明涉及射频通信以及卫星导航领域。

背景技术

随着卫星导航技术（如GPS）的日趋成熟，其应用正在迅速进入人们的日常生活。由于其重要性逐步被世界范围所认可，多个卫星导航系统已经建成或正在完善。

当前世界上的导航卫星系统主要有：美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧盟的GALILEO系统以及我国的北斗二代系统。各个系统不仅信号格式不同，也有着不同的频点，但均集中在1.2GHz与1.5GHz。

随着多系统卫星导航系统（GNSS）的不断发展，单独的卫星导航系统已远不能满足社会生产和生活的需要，卫星导航定位将进入一个多系统并用、多技术融介的新的发展阶段。多信号组合的GNSS接收机已经成为了一种趋势，比如GPS的L1、L2C的组合对于消除电离层的干扰有着很好的效果；GPS和GLONASS的组合则可以增加可视卫星的数量，显著提高微弱信号的捕获性能，其中兼容性成为GNSS接收机多系统集成的症结所在。

显著提高微弱信号的捕获性能，其中兼容性成为GNSS接收机多系统集成的症结所在。GNSS空间信号的兼容主要是通过共用中心频率以及频谱重叠来实现的，对于中心频率相同的导航信号，接收机可以采用相同的射频前端来实现导航定位;然而当利用中心频率存在差异的卫星信号进行组合定位时，射频前端的信号兼容问题是很难解决的，这也是目前利用单一射频前端完成多信号接收的研究热点。

不同GNSS系统信号频点不同，信号格式不同，甚至同一系统也存在不同的频点信号，同时处理多个系统，相当于提高空中可见星数目，能有效的提高定位精度。同时处理多个频点，能有效补偿电离层带来的误差，从而提高精度。可见卫星导航接收机的多系统多频处理能力，直接关系到其定位精度。

假设需要采集n个频点的信号，每个频点的中心频率为f_ci，带宽为B_i，多频采集的困难在于f_ci本身较高，分布在1.2GHz与1.5GHz附近，而不同频点间有一定的距离。典型的数据如GPS的L1信号：f_c=1575.42MHz，B=2MHz，而北斗二代B1的f_c=1561.098MHz，B=4MHz。

传统多模多频接收机，有不同的射频通路来处理不同频率，每个通路处理一个，成本与体积都较大。而通路设计为先进行下变频，再对中频信号进行基带采样，获得所需的信号。

以及最近出现的直接射频采样方案，不进行下变频，直接通过ADC对放大后的射频信号进行带通采样，此方法仅需要一套射频链路与ADC，但对于链路通频带与ADC通频带要求非常苛刻，必须是射频级别的，故成本高，而且对于采样频率抖动也有较高要求，实现起来非常困难。

发明内容

本发明是为了降低采集多频点多系统卫星导航信号的采样频率的问题，从而提供一种单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法及实现该方法的装置。

单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法，它由以下步骤实现：

步骤一、通过有源天线接收N个频点为f_{c_i}的卫星导航信号，并经过一级低噪声放大器后送入混频器；

步骤二、采用晶体振荡器产生晶振信号并经倍频处理后得到本振信号f_LO，送入混频器；

步骤三、采用混频器将步骤一获得的GNSS放大后信号分别与步骤二的本振信号进行混频，获得GNSS中频信号；

步骤四、采用中频滤波器对步骤三获得的GNSS中频信号进行中频滤波，获得滤波后的中频信号；

步骤五、将步骤四获得的滤波后的中频信号以采样率f_s进行模数转换，获得中频采样数据，完成单射频前端的多频点多系统卫星导航信号的采集。

步骤五中所述的采样频率f_s的选择方法具体为：

步骤A1、根据N个频点所要求f_{s_i}的范围，获得f_{s_i}的覆盖的公共区间f_sc；所述f_{s_i}满足：

$\frac{{2f}_{h\_i}}{n_i}\≤f_{s\_i}\≤\frac{{2f}_{l\_i}}{n_i-1}$

式中：f_{h_i}是第i个频点f_{c_i}的频率上限；f_{l_i}是第i个频点f_{c_i}的频率下限；n_i取正整数；

步骤A2、在步骤A1获得的公共区f_sc下，通过公式：

$|f_{A\_i}-f_{A\_j}|\≥\frac{B_i+B_j}{2}$

判断选择的采样速率f_s是否会导致混叠，若是，则放弃选择的区间，返回执行步骤A1；若否，将该选择的采样速率f_s作为满足采样兼容的频率范围；完成频点为f_{s_i}的选择；式中：B_i是第i个频点f_{c_i}的带宽；B_j是第j个频点f_{c_i}的带宽；f_{A_i}是第i个频点f_{c_i}的采样率范围；f_{A_j}是第j个频点f_{c_i}的采样率范围；i、j=1、2、……N，i≠j。

步骤A2获得的采样速率f_s的区间根据接收机的后续基带处理复杂度、信号质量、功耗，以及元件选择的要求，对采样频率进行优化。

步骤二中选定本振信号f_LO的选择方法具体为：

步骤B1、根据N个频点为f_{s_i}中的最大值f_h和最小值f_l，并相减，确定频谱范围，作为基准带宽B；

步骤B2、将所有的频点的信号带宽B_i相加，乘以2再加上保护带宽N*B₀，B₀的取值为1MHz，获得采样率的最小值f；

步骤B3、根据公式：

$n_o=\frac{B}{f}$

获得频谱范围，取整后的最低频率作为混频频率。

实现上述方法的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的装置，它包括有源天线1、低噪声放大器2、混频器3、中频滤波器4、ADC模数转换器5、晶体振荡器6和倍频器7；

所述有源天线1的信号输出端与低噪声放大器2的信号输入端连接；所述低噪声放大器2的信号输出端与混频器3的一号信号输入端连接；晶体振荡器6的晶振信号输出端与倍频器7的信号输入端连接；所述倍频器7的信号输出端与混频器3的二号信号输入端连接；混频器3的混频信号输出端与中频滤波器4的混频信号输入端连接；所述中频滤波器4的中频滤波信号输出端与ADC模数转换器5的模拟输入端连接；所述ADC模数转换器5的数字输出端是中频采样数据输出端。

本发明是一种先混频，再带通采样的射频前端的采样方案，实现了单射频前端采集多频点多系统信号的效果，采样频率大幅度降低，并且实现方便，成本低廉。

附图说明

图1是本发明的原始信号的波形示意图；其中标记11为北斗B1的频点；标记12为GPSL1的频点；

图2是混频后的波形示意图；

图3是混频后信号与采样频率的关系的波形示意图；

图4是经过带通处理后的波形示意图；

图5是本发明的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法，它由以下步骤实现：

步骤一、通过有源天线接收N个频点为f_{c_i}的卫星导航信号，并经过一级低噪声放大器后送入混频器；

步骤二、采用晶体振荡器产生晶振信号并经倍频处理后得到本振信号f_LO，送入混频器；

步骤三、采用混频器将步骤一获得的GNSS放大后信号分别与步骤二的本振信号进行混频，获得GNSS中频信号；

步骤四、采用中频滤波器对步骤三获得的GNSS中频信号进行中频滤波，获得滤波后的中频信号；

步骤五、将步骤四获得的滤波后的中频信号以采样率f_s进行模数转换，获得中频采样数据，完成单射频前端的多频点多系统卫星导航信号的采集。

步骤五中所述的采样频率f_s的选择方法具体为：

步骤A1、根据N个频点所要求f_{s_i}的范围，获得f_{s_i}的覆盖的公共区间f_sc；所述f_{s_i}满足：

$\frac{{2f}_{h\_i}}{n_i}\≤f_{s\_i}\≤\frac{{2f}_{l\_i}}{n_i-1}$

式中：f_{h_i}是第i个频点f_{c_i}的频率上限；f_{l_i}是第i个频点f_{c_i}的频率下限；n_i取正整数；

步骤A2、在步骤A1获得的公共区f_sc下，通过公式：

$|f_{A\_i}-f_{A\_j}|\≥\frac{B_i+B_j}{2}$

判断选择的采样速率f_s是否会导致混叠，若是，则放弃选择的区间，返回执行步骤A1；若否，将该选择的采样速率f_s作为满足采样兼容的频率范围；完成频点为f_{s_i}的选择；式中：B_i是第i个频点f_{c_i}的带宽；B_j是第j个频点f_{c_i}的带宽；f_{A_i}是第i个频点f_{c_i}的采样率范围；f_{A_j}是第j个频点f_{c_i}的采样率范围；i、j=1、2、……N，i≠j。

步骤A2获得的采样速率fs的区间根据接收机的后续基带处理复杂度、信号质量、功耗，以及元件选择的要求，对采样频率进行优化。

步骤二中选定本振信号f_LO的选择方法具体为：

步骤B1、根据N个频点为f_{s_i}中的最大值f_h和最小值f_l，并相减，确定频谱范围，作为基准带宽B；

步骤B2、将所有的频点的信号带宽B_i相加，乘以2再加上保护带宽N*B₀，B₀的取值为1MHz，获得采样率的最小值f；

步骤B3、根据公式：

$n_o=\frac{B}{f}$

获得频谱范围，取整后的最低频率作为混频频率。

本发明通过选择合适的下变频频率与带通采样频率，实现在同一个射频前端采集多个频点的卫星信号，并且采样频率低于现有方法。

基本定义：

窄带信号：当调制在载波上的有用信号本身的带宽远小于载波频率，这样的信号叫做窄带信号。GNSS系统载波集中在1.2GHz与1.5GHz，而信号带宽小于4MHz，因此属于典型的窄带信号。

下变频：超外差接收机常见的处理方法。将收到的射频信号与本地产生的与射频信号频率相当的本振进行混频，相当于两个频率做差，得到的是差频信号与倍频信号，再通过中频滤波器，滤除倍频信号，即可得到差频后的信号，差频信号频率与本振频率有关。下变频操作只相当于频谱移动，并不改变不同信号段之间的位置关系。

带通采样：若信号频率大于采样频率，此时属于带通采样。频谱将发生混叠。

基带采样：若信号频率小于采样频率的一半，此时满足奈奎斯特采样定理，称为基带采样。

传统多模多频接收机，有不同的射频通路来处理不同频率，每个通路处理一个，成本与体积都较大。而通路设计为先进行下变频，再对中频信号进行基带采样，获得所需的信号。

本发明针对所需要解决的问题，以及现有方案的不足，提出一种先混频，再带通采样的射频前端实现思路，达到了单射频前端采集多频点多系统信号的效果，并且实现方便，成本低廉。

由于GNSS系统所有的频率相关数值，都是f_o=1.023MHz的整数倍，因此后面叙述时仅标出的是f_o的倍数。

下面以同时采集北斗B1与GPSL1两个频点的信号为例说明本发明的方法。

图1为原始信号，

f_c1=1526MHz；B₁=4MHz；f_c2=1540MHz；B₂=2MHz；

可以看到，两段信号有一定的间隔；

混频频率选择：

f_L0=1502MHz；

因此得到的中频频率：

f_IF1=1526-1502=24，f_IF2=1540-1502=38；

混频后的频谱分布如下图2，可以看到，两频段的间隔不变，只是统一的向左平移

1502。

选取f_s=18，故两个中频频率都大于18，进行的是带通采样。混频后信号与采样频率的关系如下图3所示；

由于：

F_IF1=24=f_s+6，F_IF2=38=2f_s+2；

故带通采样后，经过了频谱折叠，有效信号分布如下图4所示。

可以看到，信号都集中在1～3与4～8两频段内，都小于0.5f_s=9，此时满足奈奎斯特定理，可以完整的复现信息，此时采样后的数字中频将同时包含B1与L1两个频点，北斗与GPS两个系统的信息。

其中混频后采样前需要经过带通滤波器，仅允许20～40的信号通过，可以提高信噪比。

上面就是以北斗B1与GPSL1两个频点为例，阐述了本发明的基本流程，实际上的选取需要根据所期望的频点与信号带宽进行选择，理论依据如下：

中心频率很高的GNSS调制信号可以视为一个限制在(f_l,f_h)的带通信号X(t)；信号带宽B=f_l-f_h，则对其进行带通采样的速率f_s需要满足：

$\frac{{2f}_h}{2}\≤f_s\≤\frac{{2f}_l}{n-1}$

带通采样会使频谱发生重叠，因此对射频上分离的多个频段的信号进行带通采样，它们都会混叠进入第1Nyquist区，也就保证了在0到0.5f_s频段内包含所需要的信号。

从上面的例子可以看出，通过本方法选择的采样频率与混频频率，可以将多个频点的信号统一折叠到基频，用较低的采样率即可完成操作。

具体实施方式二、实现具体实施方式一的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的装置，它包括有源天线1、低噪声放大器2、混频器3、中频滤波器4、ADC模数转换器5、晶体振荡器6和倍频器7；

所述有源天线1的信号输出端与低噪声放大器2的信号输入端连接；所述低噪声放大器2的信号输出端与混频器3的一号信号输入端连接；晶体振荡器6的晶振信号输出端与倍频器7的信号输入端连接；所述倍频器7的信号输出端与混频器3的二号信号输入端连接；混频器3的混频信号输出端与中频滤波器4的混频信号输入端连接；所述中频滤波器4的中频滤波信号输出端与ADC模数转换器5的模拟输入端连接；所述ADC模数转换器5的数字输出端是中频采样数据输出端。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二所述的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的装置的区别在于，中频滤波器4为带通滤波器。

本实施方式中，混频后采样前需要经过带通滤波器，仅允许20MHz～40MHz的信号通过，能够大幅度提高信噪比。

Claims (6)

1.单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、通过有源天线接收N个频点为f_{c_i}的卫星导航信号，并经过一级低噪声放大器后送入混频器；

步骤二、采用晶体振荡器产生晶振信号并经倍频处理后得到本振信号f_LO，送入混频器；

步骤三、采用混频器将步骤一获得的GNSS放大后信号分别与步骤二的本振信号进行混频，获得GNSS中频信号；

步骤四、采用中频滤波器对步骤三获得的GNSS中频信号进行中频滤波，获得滤波后的中频信号；

步骤五、将步骤四获得的滤波后的中频信号以采样率f_s进行模数转换，获得中频采样数据，完成单射频前端的多频点多系统卫星导航信号的采集。

2.根据权利要求1所述的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法，其特征在于步骤五中所述的采样频率f_s的选择方法具体为：

步骤A1、根据N个频点所要求f_{s_i}的范围，获得f_{s_i}的覆盖的公共区间f_sc；所述f_{s_i}满足：

$\frac{{2f}_{h\_i}}{n_i}\≤f_{s\_i}\≤\frac{{2f}_{l\_i}}{n_i-1}$

式中：f_{h_i}是第i个频点f_{c_i}的频率上限；f_{l_i}是第i个频点f_{c_i}的频率下限；n_i取正整数；

步骤A2、在步骤A1获得的公共区f_sc下，通过公式：

$|f_{A\_i}-f_{A\_j}|\≥\frac{B_i+B_j}{2}$

判断选择的采样速率f_s是否会导致混叠，若是，则放弃选择的区间，返回执行步骤A1；若否，将该选择的采样速率f_s作为满足采样兼容的频率范围；完成频点为f_{s_i}的选择；式中：B_i是第i个频点f_{c_i}的带宽；B_j是第j个频点f_{c_i}的带宽；f_{A_i}是第i个频点f_{c_i}的采样率范围；f_{A_j}是第j个频点f_{c_i}的采样率范围；i、j=1、2、......N，i≠j。

3.根据权利要求2所述的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法，其特征在于步骤A2获得的采样速率f_s的区间根据接收机的后续基带处理复杂度、信号质量、功耗，以及元件选择的要求，对采样频率进行优化。

4.根据权利要求1所述的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法，其特征在于步骤二中选定本振信号f_LO的选择方法具体为：

步骤B1、根据N个频点为f_{s_i}中的最大值f_h和最小值f_l，并相减，确定频谱范围，作为基准带宽B；

步骤B2、将所有的频点的信号带宽B_i相加，乘以2再加上保护带宽N*B₀，B₀的取值为1MHz，获得采样率的最小值f；

步骤B3、根据公式：

$n_o=\frac{B}{f}$

获得频谱范围，取整后的最低频率作为混频频率。

5.实现权利要求1的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的装置，其特征是：它包括有源天线（1）、低噪声放大器（2）、混频器（3）、中频滤波器（4）、ADC模数转换器（5）、晶体振荡器（6）和倍频器（7）；

所述有源天线（1）的信号输出端与低噪声放大器（2）的信号输入端连接；所述低噪声放大器（2）的信号输出端与混频器（3）的一号信号输入端连接；晶体振荡器（6）的晶振信号输出端与倍频器（7）的信号输入端连接；所述倍频器（7）的信号输出端与混频器（3）的二号信号输入端连接；混频器（3）的混频信号输出端与中频滤波器（4）的混频信号输入端连接；所述中频滤波器（4）的中频滤波信号输出端与ADC模数转换器（5）的模拟输入端连接；所述ADC模数转换器（5）的数字输出端是中频采样数据输出端。

6.根据权利要求5所述的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的装置，其特征在于中频滤波器（4）为带通滤波器。

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