一種抗干擾GPS智能天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

近年來，在導(dǎo)航、制導(dǎo)、精密測(cè)量、精密授時(shí)方面，GPS得到了非常廣泛的應(yīng)用。但大多數(shù)情況下，接收機(jī)依賴于衛(wèi)星發(fā)射的射頻信號(hào)來工作，GPS接收信號(hào)功率低，因此易受射頻干擾的影響，這些射頻干擾可能是寬帶的、窄帶的、無意的或有意的。很多學(xué)者針對(duì)該問題進(jìn)行研究，提出許多方法，其中智能天線技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，已成為新一代GPS抗干擾發(fā)展方向之一。本文在已有的GPS接收機(jī)基礎(chǔ)上，以改善接收機(jī)接收有用信號(hào)信噪比、提高抗干擾性能為主要目標(biāo)，提出一種基于智能天線技術(shù)的GPS抗干擾系統(tǒng)，并進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。

2 智能天線原理

智能天線的基本原理是依據(jù)接收準(zhǔn)則自動(dòng)的調(diào)節(jié)天線陣元的幅度和相位加權(quán)，以達(dá)到最好的接收效果。圖1是智能天線系統(tǒng)框圖，信號(hào)s(t)經(jīng)天線接收，然后與權(quán)矢量w相乘，以調(diào)整各通道接收信號(hào)的相位和幅度，最后對(duì)加權(quán)信號(hào)后的信號(hào)求和，得到陣列輸出y(t)，其中信號(hào)s(t)和權(quán)矢量w是復(fù)數(shù)。

圖1 智能天線系統(tǒng)原理

智能天線陣元排列方式有多種，主要有線陣、方陣、圓陣等。本系統(tǒng)采用了圓陣。圓陣是指M個(gè)相同的全向陣元在半徑為R的圓周上等間隔排列的天線陣，如圖2所示。

圖2 圓形天線陣示意圖

陣列的第m個(gè)陣元與第0個(gè)陣元的角度為

.設(shè)信號(hào)入射和第0個(gè)陣元的夾角為，如果以圓心作為相位參考基準(zhǔn)，則在某時(shí)刻圓心和第m個(gè)陣元接收到的信號(hào)的復(fù)包絡(luò)之間的相位差為

(1)

則來自的信號(hào)響應(yīng)可寫成：

(2)

其中為包含波達(dá)方向角信息的權(quán)值分量，且，為使最大則有

(3)

可通過調(diào)整復(fù)權(quán)值w的相位以滿足該條件，從而形成相應(yīng)方向的波束。這種圓形波束形成天線可以在范圍形成任意方向的波束，這是線陣無法是實(shí)現(xiàn)的，所以本系統(tǒng)采用了圓陣天線。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

本系統(tǒng)開發(fā)時(shí)在自行設(shè)計(jì)的天線陣、射頻前端、上變頻器以及已有的GPS接收機(jī)基礎(chǔ)上，根據(jù)軟件無線電的思想，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了高速AD采集部分，多波束形成器，以及數(shù)字上變頻器部分，在前端將中頻信號(hào)數(shù)字化，之后經(jīng)數(shù)字下變頻至基帶，在基帶對(duì)信號(hào)完成數(shù)字波束賦形和幅相加權(quán)，然后對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字正交調(diào)制，最后數(shù)字上變頻至中頻信號(hào)轉(zhuǎn)成模擬信號(hào)，輸出到混頻器接GPS接收機(jī)。本節(jié)從以下幾個(gè)方面分別介紹：

3.1 高速AD采集設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)采集系統(tǒng)而言，首先根據(jù)輸入中頻決定采用過采樣(over-converter)還是欠采樣(under- converter)。所謂過采樣，指依據(jù)奈奎斯特(Nyquist)定理，輸入信號(hào)x(t)的頻帶在(0,fH)內(nèi)，只要采樣速率fS

2fH，那么就能從采樣信號(hào)中恢復(fù)原信號(hào)x(t)。所謂欠采樣技術(shù)就是對(duì)于帶通信號(hào)(頻率范圍：fL2fH/K≤fS≤(2fH)/(K-1)其中K為整數(shù)，2≤K≤fH/(fH-fL)且fH-fL≤fL，此時(shí)信號(hào)頻譜不會(huì)發(fā)生混疊。這對(duì)于減小運(yùn)算量很有好處。

根據(jù)理論上的ADC的信噪比SNR計(jì)算公式：SNR=6.02N+1.7dB+10log10(fS/2fB)可知：抽樣速率每增加一倍，信噪比大約可提高3dB。因此，采樣速率應(yīng)盡量高一些。結(jié)合本系統(tǒng)的中頻頻率為70MHz，信號(hào)帶寬2MHz，我們采用了AD公司的AD9248，采樣頻率為40MHz，對(duì)于中頻載波是欠采樣，對(duì)于信號(hào)是過采樣。

AD9248是ADI公司推出的14位雙通道數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，速度可達(dá)65MSPS，每通道功耗僅300 mW，內(nèi)置兩個(gè)采樣保持放大器和一個(gè)基準(zhǔn)源，采用一個(gè)多級(jí)的帶有輸出錯(cuò)誤糾正邏輯的差分流水線結(jié)構(gòu)，從而提供14位高精度的量化輸出，其奈奎斯特頻率的信噪比(SNR)高達(dá)71.6dBc。該芯片將高速率、高分辨率和小封裝的獨(dú)特結(jié)合，與單通道AD相比，能夠節(jié)省多達(dá)40%的印制電路板(PCB)面積，因此非常適合本系統(tǒng)高速多通道ADC的應(yīng)用。

3.2 數(shù)字下變頻及基帶數(shù)據(jù)與權(quán)值的復(fù)乘

中頻信號(hào)經(jīng)AD數(shù)字化后，需將中頻信號(hào)搬移至基帶得到I、Q數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行抽取，濾波完成信號(hào)提取。因此，數(shù)字下變頻器由本地振蕩器(NCO)、混頻器、抽取濾波器和低通濾波器組成，如圖3所示。

圖3 數(shù)字下變頻器在本系統(tǒng)中這些功能由第一級(jí)的兩片FPGA(超大規(guī)模可編程邏輯電路)來完成，每片F(xiàn)PGA控制AD采集四路數(shù)據(jù)，然后與70MHz數(shù)字混頻，經(jīng)數(shù)字低通濾波一路作為第二級(jí)FPGA的輸入，另一路10倍抽取后送入存儲(chǔ)單元，作為DSP形成權(quán)值樣本。

由于下變頻得到的基帶數(shù)據(jù)為復(fù)數(shù)，而權(quán)值也是復(fù)數(shù)，所以基帶數(shù)據(jù)與權(quán)值的相乘為復(fù)乘。復(fù)乘實(shí)際上由4個(gè)實(shí)數(shù)乘和2個(gè)復(fù)數(shù)加組成。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)有8路數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)鐘為40MHz，在這么短時(shí)間里既要完成復(fù)乘又要完成數(shù)據(jù)的輸入輸出還要實(shí)現(xiàn)和其他單元的通信，對(duì)于DSP很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，考慮到多路，故這部分功能也采用FPGA實(shí)現(xiàn)，其將第一級(jí)產(chǎn)生的8路32位數(shù)字信號(hào)進(jìn)行復(fù)乘相加，其結(jié)果作為上變頻器的輸入。本系統(tǒng)FPGA采用ALTERA公司的StratixII EP2S90，其具有90960個(gè)等效邏輯元件(LE)，內(nèi)嵌高速DSP模塊(最快能達(dá)到370MHz)，實(shí)現(xiàn)了專門的乘法、乘加運(yùn)算及有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器，且內(nèi)部集成有4.5Mbit的RAM，支持高速外部存儲(chǔ)器，與第一代StratixI相比，StratixII器件的邏輯密度是前者的2倍，速度也快了50%。由于在其內(nèi)部八個(gè)模塊可并行執(zhí)行，因此保證了系統(tǒng)高速運(yùn)行。

3.3 權(quán)值計(jì)算

權(quán)值的計(jì)算是GPS抗干擾智能天線算法的核心。本系統(tǒng)的權(quán)值由DSP完成自適應(yīng)算法得到。因自適應(yīng)算法的運(yùn)算量很大，系統(tǒng)又要求較高的精度，因此我們選用了TI公司TMS32C6711 DSP[5]。這是一款高性能的浮點(diǎn)DSP，主頻為150MHz。該處理器具有以下特點(diǎn)：⑴32個(gè)32位字長的通用寄存器以及8個(gè)獨(dú)立的功能單元：4個(gè)浮點(diǎn)/定點(diǎn)ALU, 2個(gè)定點(diǎn)ALU以及2個(gè)浮點(diǎn)/定點(diǎn)乘法器，在單指令周期下最多可同時(shí)執(zhí)行8條32位指令，利于算法并行實(shí)現(xiàn);⑵該器件內(nèi)部集成8k字節(jié)的程序與數(shù)據(jù)緩存L1以及64K字節(jié)的L2緩存，可實(shí)現(xiàn)多變量的緩存;⑶該器件提供16個(gè)獨(dú)立通道的增強(qiáng)型DMA 控制器，以后臺(tái)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，有利于CPU集中于算法運(yùn)算;⑷一個(gè)32位的外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)，可實(shí)現(xiàn)總線方式對(duì)采樣數(shù)據(jù)以及權(quán)值數(shù)據(jù)的讀寫;⑸一個(gè)16位的主機(jī)端口及兩個(gè)多通道緩沖串行端口(McBSP)，用于控制外圍器件;⑹其開發(fā)環(huán)境CCS2.2具有高效的C編譯器，且有免費(fèi)庫文件調(diào)用，可用C語言開發(fā)高效算法。

3.4 數(shù)字上變頻至中頻

由于要將得到的加權(quán)值還原成原來中頻射頻信號(hào)再進(jìn)入GPS接收機(jī)，所以FPGA加權(quán)完之后需將基帶信號(hào)正交調(diào)制到中頻載波上去，在數(shù)字域完成調(diào)制和混頻。本系統(tǒng)采用數(shù)字上變頻器AD9857來完成該功能。AD9857是Analog Devices公司一種單片混合信號(hào)的14位積分?jǐn)?shù)字上變頻器，采樣速率為200MSPS，集成時(shí)鐘倍頻、14位DAC、數(shù)字濾波器、直接數(shù)字頻率合成器(DDS)、用戶可編程等功能，可產(chǎn)生直流到80MHz的數(shù)字輸出和80dB窄帶的無雜散信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，可通過SPI口與DSP通信。

3.5 USB測(cè)試通道

為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中各模塊數(shù)據(jù)是否正確，本系統(tǒng)中特別設(shè)計(jì)了USB測(cè)試通道，采用了Cypress公司的USB2.0接口單片機(jī)CY7C68013芯片，可通過總線將各模塊數(shù)據(jù)讀出高速送至計(jì)算機(jī)端軟件，便于系統(tǒng)的分步調(diào)試分析。分析了以上各問題后，我們基于DSP技術(shù)、FPGA技術(shù)、USB技術(shù)、軟件無線電技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)GPS智能天線接收系統(tǒng)。

4 基于FPGA+DSP的GPS智能天線系統(tǒng)

GPS智能天線接收系統(tǒng)如圖4所示，它由八路接收天線、射頻模塊，高速AD、多波束形成器、數(shù)字上變頻器構(gòu)成以及通用GPS接收機(jī)組成。天線陣每個(gè)天線單元接受下來的射頻信號(hào)，經(jīng)射頻模塊混頻，得到模擬中頻信號(hào)，經(jīng)AD9248采樣，在第一級(jí)FPGA中完成數(shù)字下變頻、抽取、濾波后得到16位的I、Q基帶數(shù)據(jù)與DSP送入的權(quán)值相乘送入第二級(jí)FPGA，在第二級(jí)FPGA中完成八路數(shù)據(jù)的加權(quán)，得到的加權(quán)數(shù)據(jù)取14bit后，由AD9857內(nèi)插濾波正交調(diào)制后經(jīng)其內(nèi)部DA變成模擬中頻信號(hào)，送后端混頻器接GPS接收機(jī)進(jìn)行解算，同時(shí)計(jì)算機(jī)端還可通過USB2.0接口申請(qǐng)各模塊數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)端進(jìn)行分析調(diào)試。

圖4 系統(tǒng)硬件框圖

權(quán)值的計(jì)算由DSP完成。首先DSP向FPGA在內(nèi)置雙口RAM中緩存512個(gè)原始數(shù)據(jù)，存滿后FPGA通知DSP讀出進(jìn)行算法運(yùn)算，DSP運(yùn)算完后再將權(quán)值寫回FPGA的權(quán)值控制寄存器，然后再請(qǐng)求數(shù)據(jù)，依次循環(huán)。此外DSP還通過SPI方式與AD9857進(jìn)行通信，設(shè)置AD9857的初始寄存器狀態(tài)，控制其輸出上變頻后的模擬中頻信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)如圖5所示，采用了18層FR4結(jié)構(gòu)的PCB。

圖5 硬件平臺(tái)實(shí)物圖

5 結(jié)論

本文給出了GPS智能天線系統(tǒng)的原理以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在分析了各模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于DSP技術(shù)、FPGA技術(shù)、USB技術(shù)、軟件無線電技術(shù)的硬件平臺(tái)。本系統(tǒng)在FPGA中完成數(shù)字下變頻并通過總線方式與DSP進(jìn)行通信，相對(duì)于基帶采樣的GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)采用了更少的硬件元件，保留了天線獲得的各個(gè)陣列信號(hào)所包含的全部信息，同時(shí)將大部分的功能通過軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)，增加了系統(tǒng)處理的靈活性和可重復(fù)性。目前，本系統(tǒng)已調(diào)試通過，并在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了自行提出的一種新型RLS算法，取得了良好的效果。