用于GPS接收机的天线阵列抗干扰射频前端
摘要：卫星导航定位系统的抗干扰技术研究意义重大。基于天线阵列的抗干扰技术需要同时采集多路gps天线信号，而通用gps接收机大多只能接收单路天线信号，难以满足需求。为此，设计了一种四元天线阵列的gps抗干扰射频前端。通过四元天线阵列分别接收四路gps信号，经过低噪声放大器、射频滤波器、下变频到中频信号，以供给后级a/d采样，经抗干扰模块后达到抗干扰目的。最后，对此射频前端进行整体电路测试，并给出了测试结果。经实际应用，验证了该系统方案的可行性。
0 引言
全球定位系统(global position system，gps)卫星发射的信号功率小，到达地面信号微弱，再加上无法预料的恶劣环境以及专用gps干扰机[1]的出现，这些都会直接导致gps信号受到干扰，严重时甚至无法正常工作[1-2]。因此，为了使gps接收机能够应付更加复杂的环境，提高其自身的抗干扰能力，开展gps抗干扰技术的研究得到了广泛的关注[3]。
目前针对gps抗干扰技术的研究主要包括自适应天线阵列[4]、天线增强、前端滤波技术[5]、码环跟踪[6]以及空时自适应信号处理等技术。自适应天线阵列技术能够抑制多种干扰，是该领域的主要研究模型[7]。该模型要求同时接收多路卫星信号。现有gps接收机射频前端主要接收一路或两路信号[8-9]，不能满足要求。因此，本文设计了四元天线阵列gps抗干扰射频前端。方案采用了低噪声、滤波、混频、锁相环、自动增益控制等技术模块。与文献[10] gps射频前端相比，本设计输出中频较低，相差达40 mhz，能够降低损耗，提高信号稳定度，便于后续处理。
1 总体设计
gps接收系统包括卫星天线、射频前端、基带信号处理三个部分。在超外差接收机中，射频前端的功能是对gps信号进行信号调理，下变频到中频段，为后续a/d采样提供信号。
天线阵列射频前端是在上述基础上进一步设计。如图1所示，系统由4路构成。每一路信号链路包括低噪声放大器(low noise amplifier，lna)、频带限制滤波器(band limiting filter，blf)、混频器(mixer)、锁相环(phase locked logic，pll)、自动增益控制器(automatic gain control，agc)、中频放大器(amplifier，amp)。
天线采用均匀直线阵列，将4路天线等间距排在一条直线上，结构简单，仿真容易。设入射波长为λ，两天线间距为d，光速为c，信源以γ角度入射到均匀直线阵列，如图2所示。
当n个信源分别以入射角γ0，…，γn-1入射时，将m个阵元在k时刻的输出表示为如下列矢量：
2 系统硬件电路设计
2.1 低噪声放大器lna
为了提高接收信号的灵敏度，在接收机的最前端采用低噪声放大器。系统的噪声系数f定义为输入、输出信噪比的比值：
式中，n为级联的级数。由式(4)可知，最前端放大器的噪声系数f1和增益g1对整个接收机的噪声系数起决定作用[11]。低噪放的选择需要考虑：线性范围、反射系数、功耗、工作频率、工作带宽及通带内的增益平坦。
低噪声放大器件采用hmc478st89，工作频段广，在1 ghz～2 ghz频段内具有19 db的固定增益而且噪声系数只有3 db。电路如图3所示，vs为供电电压，rfin为输入信号，rfout为输出信号。
器件的s参数如图4所示，s21表示增益，在gps l1频段（1 575.42 mhz）为20 db。在室外条件下，天线输入gps信号功率为-80~-60 dbm，经过低噪声放大后，功率达到-60~-40 dbm，满足系统设计要求。
2.2 频带限制滤波器bpf
为滤除卫星导航信号频带外的噪声，一般在每级低噪声放大器输出端接入带通滤波器bpf[12]，也称预选器，用来预选频段，并抑制镜像干扰、带外干扰和各种噪声[13]。本系统采用的是无源声表面滤波器sf1186b，中心频率为1 575.42 mhz，1 db带宽2.046 mhz，插入损耗最大3.5 db。该器件频响特性测试结果如图5所示，在gps l1频段1.5 ghz左右，衰减为-2 db左右，满足系统设计要求。
2.3 gp2015模块设计
gps天线信号在经过放大、滤波之后，通过gp2015芯片下变频到中频信号。gp2015芯片具有低功耗、低成本、高可靠性的特点，工作电压为3 v～5 v。该芯片包括：pll(锁相环)、三级混频器、agc(自动增益控制器)、中频滤波器件以及两位adc(模数转换器)。其内部详细结构如图6所示。
内部集成的pll对基准时钟进行倍频，得到频率为1 400 mhz的本振信号lo1。采用三级混频结构，基准时钟来自温度补偿晶振(tcxo)的10 mhz。外部输入的gps l1频段1 575.42 mhz信号与lo1进行一级混频，得到频率为175.42 mhz差频信号。经过lc滤波器后与lo2(140 mhz)进行二级混频，得到35.42 mhz差频信号。再通过声表面波滤波器进入内部agc电路与lo3(31.11 mhz)进行三级混频，得到频率为4.309 mhz信号。该中频信号可通过内部2位a/d转换器输出两位数字信号：符号(sign)和量级(mag)，分别表示信号的极性和大小，数字信号输出给基带处理器进一步处理；也可直接输出模拟信号，供外部a/d采样。本设计采用直接输出模拟中频信号的方式。
2.4 基准时钟
本系统使用的gp2015器件要求10 mhz基准时钟输入，对频率的精确度和稳定度要求都比较高。系统采用有源温补晶振，频率10 mhz，输出功率8 dbm，谐波抑制-25 db，杂波抑制-70 db。具体电路如图7所示。
2.5 中频放大amp
混频以及各级滤波会导致信号衰减，但是后级a/d采样需要中频信号达到0 dbm。因此，在gp2015输出端加上了一级中频放大器。中频放大器件是opa698，它具有宽带高线性、快速响应、低功耗、反馈型宽带限压放大特性，能够实时调节电压幅度输出。
图8所示为该器件的电路图，输入信号为vin，输出为vo。通过调节反馈电压vh/vl来控制增益变化，使输出信号为0 dbm左右。
3 系统性能测试
国家自然科学基金项目委对该系统进行了测试，包括：单频信号测试、gps接收机测试。测试仪器：信号源rohde&schware(r&s)smb100a signal generator，频率范围为9 khz～6 ghz。v.kel接收模块：频谱仪r&s fsc6.spectrum analyzer，频率范围为9 khz～6 ghz。
3.1 单频信号测试
利用信号发生器产生频率为1 575.42 mhz、功率为-80 dbm的单频信号，来模拟gps l1频段天线信号进行测试。该信号为四元天线阵列抗干扰射频前端的输入信号。
图9所示为第一路输出信号的频谱图（另3路输出同图9），频率为4.309 mhz，带内平坦度为0.2 db，带宽为3 mhz左右，信号功率为-2.8 dbm左右。该结果表明阵列gps抗干扰射频前端工作正常，满足后级ad采样的需求。
3.2 gps接收机测试
为了使天线阵列抗干扰射频前端应用于gps接收系统中，搭建了gps接收机测试平台。如图10所示，阵列射频前端接入4路天线信号，接入gps抗干扰基带处理模块，再通过上位机显示收到卫星数据。
图11所示为应用本接收前端后的卫星信号接收图，共计10颗卫星，信噪比高达50 db左右，符合通信系统指标要求。该结果表明，天线阵列抗干扰前端在干扰下能够正常工作，系统设计可行。
4 结束语
本文设计了用于gps接收机的天线阵列抗干扰射频前端。文中对功放、滤波以及gp2015模块进行了硬件电路设计，对系统进行了单频信号测试、gps接收测试。该设计投入使用后，能够较好地处理阵列gps信号，满足设计要求。相比于目前通用的gps信号射频前端，它具有抗干扰性能强、电路简单、可同时处理四路信号等优点，对gps抗干扰技术的研究具有一定参考价值，同时能够为北斗系统所用，在抗干扰方面有借鉴意义。
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目前针对gps抗干扰技术的研究主要包括自适应天线阵列[4]、天线增强、前端滤波技术[5]、码环跟踪[6]以及空时自适应信号处理等技术。自适应天线阵列技术能够抑制多种干扰，是该领域的主要研究模型[7]。该模型要求同时接收多路卫星信号。现有gps接收机射频前端主要接收一路或两路信号[8-9]，不能满足要求。因此，本文设计了四元天线阵列gps抗干扰射频前端。方案采用了低噪声、滤波、混频、锁相环、自动增益控制等技术模块。与文献[10] gps射频前端相比，本设计输出中频较低，相差达40 mhz，能够降低损耗，提高信号稳定度，便于后续处理。
1 总体设计
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天线阵列射频前端是在上述基础上进一步设计。如图1所示，系统由4路构成。每一路信号链路包括低噪声放大器(low noise amplifier，lna)、频带限制滤波器(band limiting filter，blf)、混频器(mixer)、锁相环(phase locked logic，pll)、自动增益控制器(automatic gain control，agc)、中频放大器(amplifier，amp)。
天线采用均匀直线阵列，将4路天线等间距排在一条直线上，结构简单，仿真容易。设入射波长为λ，两天线间距为d，光速为c，信源以γ角度入射到均匀直线阵列，如图2所示。
当n个信源分别以入射角γ0，…，γn-1入射时，将m个阵元在k时刻的输出表示为如下列矢量：
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2.1 低噪声放大器lna
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式中，n为级联的级数。由式(4)可知，最前端放大器的噪声系数f1和增益g1对整个接收机的噪声系数起决定作用[11]。低噪放的选择需要考虑：线性范围、反射系数、功耗、工作频率、工作带宽及通带内的增益平坦。
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