3 全球导航卫星信号的接收端设计
3.1 卫星信号接收端的基本构成
全球导航卫星信号接收端主要由以下部分组成:卫星接收天线、低噪声放大器LNA(Lower Noise Amplifier)、前端射频下变频器EndFront RF(EndFront Radio Frequency Down Converter)、信号通道相关器、数字信号运算处理控制器DSP、实时时钟RTC(Real Time Clock)、数据存储器Memory与输入输出I/O接口组成控制工程网版权所有,整个体系如图1所示。
从图1可以看出:卫星信号接收端的核心是DSP,从导航电文到卫星位置的确定,再到接收端所在待测点位置与接收端时钟钟差的确定,及其卫星通道数据的整定控制等都是该DSP完成的。在实际应用中常选用32位的通用数字信号处理器或ARM7内核的单片机,来执行这一系列复杂的运算与控制。
接收端向外输出精确的定位/授时数据结果和PPS秒脉冲信号,并且可以接收外界的通信配置。
3.2 选择适当的卫星
卫星信号接收天线是卫星接收端的关键部件。
选择卫星信号接收天线,既要具有适当的信号增益www.cechina.cn,又要视其形状和大小。固定场合使用的卫星信号接收天线,可以选用高增益大体积的冠状天线;便携式移动设备的卫星接收天线可以选用微型的平板式天线和四臂螺旋式天线。常见的微型平板天线是陶瓷微波瓷介天线。陶瓷微波瓷介天线经济实用控制工程网版权所有,既可以作为无源天线近距离直接连接到前端RF下变换器,也可以与LNA一起构成有源长馈线车载天线。四臂螺旋天线性能比平板天线好,无方位要求;但价格高,杆长度大,应用不多。
接收的卫星信号是右旋园极化波,发给卫星的信号要求是左旋园极化波。使用北斗局域导航卫星的用户接收机,虽然不需要复杂的运算就能得到地面中心提供的准确的定位授时结果,但它既要接收卫星信号又要向卫星发射信号,其天线的理想选择是微型笔杆状无源双频带螺旋式卫星收发天线。
3.3 选用集成组件构建卫星信号接收端
选用合适的CPU及其外围器件,按照图1所示的原理,可以很容易地设计出卫星信号接收端的硬件电路;但是由于涉及到大量复杂繁琐的运算,CPU软件设计任务十分繁重。
设计卫星信号接收端,常选用集成组件来搭建。可选的LNA组件,如Atmel的ATR0610、Maxim的MAX2641/ 2654/2655等。可选的前端RF下变频器,如Atmel的ATR0600、Maxim的MAX2742/4/5、ST的STB5600、μNav的μN1005/8021C、NEC的μPB1029R、Fujitsu的MB15H156等。
很多知名半导体厂商把通道相关器、DSP运算控制器、数据存储器等集成到一个芯片内,内含通道相关算法、卫星位置确定算法、待测点定位授时算法,对外通过RS232串口每秒钟输出一次定位授时等信息和PPS秒脉冲,并且可通过RS232串口接收用户的RS232通信配置信息,这种芯片就是基带处理器(Base Band Processor)。基带处理器含有8~16个卫星通道数,工作稳定可靠,价格低廉。使用这种芯片可以免除用户选用高速DSP数字信号处理器或ARM7单片机构建电路与设计卫星信号运算处理软件的麻烦。常见的卫星信号基带处理器,例如Atmel的ATR0620、Sony的CXD2932、ST的ST20GP6、μNav的μN8031B、NEC的μPD77538、Fujitsu的MB87Q2040等。
图1全球导航卫星信号接收端结构框图
图2集成组件构建的卫星信号的接收端框图
图2是由ATR0610、ATR0600和ATR0620构成的GPS卫星信号接收端框图。
选用LNA、前端RF下变频器、基带处理器构建卫星信号接收端的时候www.cechina.cn,应注意尽可能选用一个厂商的器件;如果不能做到,应选用成熟搭配的不同厂商的器件。表2列出了几种常用的工作稳定可靠的器件搭配组合。
表2集成卫星信号接收组件的最佳搭配组合
还有一些知名半导体厂商,则进一步集成,如ST把RF下变频器与基带处理器集成在一起推出的多功能单芯片STB2056CONTROL ENGINEERING China版权所有,Motorola把LNA、RF下变频器与基带处理器集成在一起推出的模块化多功能单芯片MG4000/MG4100/MG4200。图3是由MG4200构成的卫星信号接收端框图。卫星信号接收端芯片功能集成度的逐步提高,为简化设计提供了有效的捷径。
3.4 使用集成模块构建卫星信号接收端
使用集成组件构建卫星信号接