射频直采CNss多频点数字电路的设计方案与实现.docx

射频直采 CNss 多频点数字电路的设计与实现 - 电气论文射频直采 CNss 多频点数字电路的设计与实现魏巍（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西西安 710068 ）【摘要】提出了一种多频信号采集系统， 基于卫星信号射频的直接采样技术，简化了射频前端，提高了采样带宽，没有混频，实现多频点信号的同时采样再到 FPGA 重新采样完成数字下变频， 进行分路滤波， 程序缓存到 DDR3 ，以太网对多路信号同步采集 该方法不仅使射频系统结构简单灵活， 同时降低了射频前端带来的干扰， 提高信号采样质量和信号完整性 经实验仿真结果表明， 该系统可以连续地采集多个频带的数据，并通过对 GNSS 信号的捕获验证了系统的有效性关键词 射频直采； GNSS； FPGA；DDR3 ；滤波Design and Implementation of Multi-frequency System in Direct-RFQuantization GNSS Software ReceiverWEI Wei(China Electronic Technology Group Corporation 20th ResearchInstitute, Xi ’ an Shaanxi 710086, China)【 Abstract 】 This paper puts forward a multi-frequency signalacquisition system based on sampling technology of RF satellite signals,simplifying RF front-end, increasing the sampling bandwidth, withoutmixing, multi-frequency signals can be sampled simultaneously. Andthen enter the FPGA sampling again to finish digital down conversion,shunts filtering, finally the procedure will be cached into DDR3, usingEthernet to realize the multi-channel signal synchronous acquisition. Thismethod not only makes the RF system simple and flexible, but alsoreduces the interference caused by the RF front-end, achieving theintegrity of the signals, improving the quality of sampling signal. Theresult of the experiment shows that the system is able to collect datafrom multiple bands continuously, and verifies the validity of this systemthrough capturing the signals of GNSS.【 Key words 】 Direct-RF; GNSS; FPGA; DDR3; Filter0 引言随着电子技术和用户需求的快速增长，卫星导航技术已广泛应用于国计民生、社会发展的各个领域，并显现出巨大应用潜力。

国际四大系统都开始运营，我国的北斗系统建设发展已经有十几年之久， 目前只是覆盖亚太区域的东南亚地区，为以后的全球系统建设奠定基础， 北斗系统逐渐进入到各个领域， 具有重要的军事战略意义和显著的经济效益利用多系统进行导航将有效地减小电离层时延误差，提高定位精度，在有遮挡的区域可以提高导航的连续性和有效性 传统的导航接收机， 射频前端需要多级混频、放大、滤波，混频器和放大器设计难度较大，如果在多频点和多系统接收机中，这个难度就更大，针对此问题，本文设计研究了射频直接采样 GNSS数字电路，规避混频，简化系统结构，增加了系统的灵活性，在接收不同频段信号时 ,接收机只需要调整前端的滤波器和 AD 采样率1 硬件平台设计在卫星导航接收机硬件思想描述上，为了保证信号完整性、实时性，按照软件无线电的设计思路， 尽量让 AD 靠近天线端口若 AD 具有高增益、高灵敏度、高动态范围，那么前端的设计就可以简化， 首先在射频前端用低噪放对信号进行放大、带通滤波，然后对多频信号进行分路滤波，再将滤波后的信号送至高速AD 进行采样，通过 FPGA 进行缓冲和数据处理 (FIR 数字滤波及抽取 )，最后将数据封装成帧通过以太网口将数据打包送至上位机， 上位机在物理层捕获以太网数据包，解析 MAC 地址将需要的数据存储到硬盘之中，最后通过软件利用采集到的数据进行捕获跟踪及定位解算，图 1(a) 为系统整体硬件平台的结构。

1.1 射频前端设计目前，射频直接采样和数字下变频主要有 2 种实现方式：一种是选择较高采样率对接收信号直接采样， 利用抽取滤波 （在 FPGA 上实现）方法降采样率的多系统多频点接收机，可以选用 1600MHz 的 A/D 采样速率（时钟上下沿同时采样可以达到 3.2GHZ ），由于受到硬件和布线水平的限制，此方法实现难度大；另一种是选择较低的采样率， 对几个窄带信号通过射频直接带通采样完成简单的数字下变频，而直采技术具备与模拟射频前端进行多级下变频具有一样的性能本文将采用前一种设计思路， 选择合适的采样率对接收的多路导航信号进行直采，然后利用多相滤波器结构、积分梳状滤波器、半带滤波器与高阶 FIR 滤波器等技术设计抽取滤波网络， 降低信号采样率，实现多频信号的分离和下变频ADC 采样时钟来自于频率合成器输出的时钟，为了满足 ADC 对于采样时钟的相位噪声，本设计使用了 10MHz 的原子钟作为频率合成器输入，通过 FPGA将频率配置成需要的频率， 也可以由外部时钟源直接倍频输出 前端需要将信号放大至 ADC 可以采样的电平，接收到的卫星导航信号能量约为 -141dB ，GNSS天线增益为 50dB ，前端的增益足够对信号采样。

a) 硬件系统平台(b) 滤波结构1.2 基于射频直接采样的采样频率选择带通采样定理在频分多路信号的编码、数字接收机的中频采样数字化中有重要的应用在系统设计中，使用带通采样定理对射频信号进行采样 根据带通采样定理，采样率将只与信号带宽有关， 与载波频率无关， 这将使采样率大大降低 采样率最低应不小于两倍频率， 也可以说成要求是不低于各频带带宽和的两倍， 计算公式如下：当带通信号的频率分布在某一有限的频带 (fL, fH) 内，由于带通信号本身的带宽并不一定很宽 B=fH-fL ，那么可以运用带通采样定理完成对信号的采样针对表 1 中列出导航信号载频及信号带宽分布关系，首先确定合适的射频采样频率这对整个系统的设计至关重要 1）利用数字混频的方法将采样频率降低到 124MHz （多路信号带宽和） ，为了能够进行整数倍抽取，考虑选择124MHz 的整数倍频率； 2 ）从图 2 上可以看到，低载频的 5 路导航信号 L2C、E5b 、E5a(L5) 、L2P(Y)、E6 信号的频谱相距很近， 近似看为一个信号， 记为 A ；同理 L1C/A(E1b/c) 频点的信号看作另一个信号，记为 B；3 ）由于信号 A 的带宽较宽，为 127.875MHz(1 166.22MHz~1 294.095MHz) ，用式（１）对其进行带通采样，然后，用相同的采样频率对信号 B 进行采样。

用此采样频率进行射频直接采样，可达到频谱无混叠并且进行 D=3 倍抽取后，即能降采样到 124MHz 采取分级抽取降采样率的方法可实现降采样后，信号 A 与信号 B 相距很远，仍然可以当作两个窄带信号来处理1.3 降采样率抽取滤波器的选择在 FPGA 上实现降采样抽取滤波， 滤波器选择窄带滤波器具有尖锐的截止特性（窄带电调滤波器）只有将带宽参数趋近于信号带宽，这样就不会发生信号混叠，影响信号质量AD 采样率太高，由于 FPGA 的工作频率限制，必须降采样运行抽取就是把原来采样点按每隔 D 点生成新的序列，这样新的采样率就降为原来的 1/D（ D1 ），通过 PLL 将 FIR 的时钟分出不同的频率， 用这个频率接收 FIR 输出的数据，即可以完成数字信号 D 倍的抽取，抽取后将大大减少数据量，降低处理难度设原始输入信号为 X(n) ，抽取后的信号为 XD(m) ，则抽取后的信号表示为：XD(m)= X(mD) 经滤波抽取信号频谱变为：要不想产生混叠， 可以进行如下操作， 首先原始信号通过一个 LDP 数字低通滤波器 (带宽为 π/D) ，对原始信号进行滤波，使原始信号的频谱中只含有小于π/D 的频谱存在，再进行 D 倍抽取，那么抽取后的频谱就不会发生混叠。

常用的抽取滤波器包括半带 (HB) 滤波器、积分梳状 (CIC)滤波器 HB 滤波器是一种特殊的低通 FIR 数字滤波器，特别适合 2 倍抽取 (D=2) ，并且 HB 滤波器的长度为奇数，其冲激响应 h(k) 为实数且为偶对称当实际的抽取倍数不是 2的幂次方，此时就需要用到积分梳状滤波器进行 3 倍抽取1.4 抽取滤波器的设计针对图 (b) 所示经直接采样后的导航信号频谱示意图， 要实现多系统多频点的分离并且降采样由于信号 A 与信号 B 频谱相距较远远 ,采样后信号利用一级 CIC。