一款多通道双模导航信道模块的设计

夏永平，魏 斌，孙 淼

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡214072）

1 引言

导航信道模块是用于导航系统的天线之后、处理端之前的部分，通常实现的功能包括上下变频、放大、滤波等功能。信道模块的性能在很大程度上决定了整机的抗干扰能力、接收灵敏度等指标。多模的导航模块能够同时接收多种导航信号，能够让系统在多种导航模式下切换，保证了工作的稳定性，但是在功耗、通道隔离等指标上都增加了设计难度[1]。本文描述了一款北斗与GLONASS双模导航模块的设计方法。

2 工作原理

在导航信道模块之前的天线部分，北斗、GLONASS信号都处于接近的频率，因此都可以按照相同的信号强度到达信道模块[2]。本文中设计的模块的主要功能就是要把2个模式的射频信号分离出来，尽可能实现高通道隔离，增加抗干扰能力，这一步工作一般来说是通过射频滤波来实现，滤波器指标的设计相当关键[3]。

导航模块的本振部分由模块内部产生，由于模块有4个双通道的下变频以及2个上变频通道，因此需要产生2种频率的本振各5路。

图1 导航模块下变频通道原理框图

模块下变频通道简化的原理框图见图1。其中省略了一些固定衰减器的部分。接收信号经过天线的放大之后输入到了信道模块，第一级用低噪声放大器来优化整个模块的噪声系数指标，然后功分出2路信号，分别滤波到北斗和GLONASS的对应频段，再进行下变频、放大以及中频滤波的处理，最终输出2种模式的中频信号。

图2 导航模块上变频通道原理框图

模块上变频通道简化的原理框图如图2所示。整个过程与下变频通道正好完全相反，最终输出北斗和GLONASS两种模式射频信号的混合信号，在器件选型上和下变频接收通道一致，指标相对来说少很多。

3 导航模块通道隔离度指标的设计

模块的隔离度指标首先是从壳体布局上进行设计，下变频部分共有4个GLONASS和北斗的接收通道。首先在布局上把4个通道用壳体隔开，防止信号串扰。以上的布局可以提高4个不同通道之间接收到同模信号的隔离度[4]。

由于两种模式采用的是同样频率的中频信号，模式之间的相互串扰更加容易影响系统的性能。以图1中的X1（北斗）通道和G（GLONASS）通道为例子，射频滤波器中心频率分别为1567.5 MHz和1602 MHz，采用声表滤波器，大致的插损在2dB，1dB带宽30MHz，45 dB带宽小于200 MHz。声表滤波器主要实现2个功能，一个是频率的选通，另一个是镜像信号的抑制。由于最终采用的GLONASS通道的中频在46.5 MHz，带宽8MHz，北斗通道的中频在46.5MHz，带宽17MHz，使用的这2款射频滤波器可以保证45 dBc以上的镜频抑制以及三温条件下带内信号的低插损指标。

在模块的研制过程中发现，同一个天线接收的北斗和GLONASS通道在布局上处于同一个腔体内，2个下变频本振之间存在相互串扰[5，6]。此外，射频滤波器并不能完全过滤还有一种模式的信号。所以说，在下变频混频器会混出另一个导航模式的中频信号。为了提高不同导航模式之间的信号隔离度，需要适当调节射频滤波器的中心频率，提高1567.5 MHz滤波器对1602 MHz信号的抑制，以及1602 MHz滤波器对1567.5 MHz信号的抑制。对于声表滤波器，稍微调整中心频率比较简单，因此，把1567.5 MHz中心频率的滤波器调整为1562.5 MHz，把1602 MHz中心频率的滤波器调整为1607 MHz。中心频率不能偏移太多，因为那样会影响到镜频抑制的指标[7]，如图3所示。此外，通道隔离度还可以通过调节末级中频放大器的馈电电路来改善[8]。适当调高中频放大器的馈电电感可以提高各支路之间在馈电上的隔离，提高通道的信号隔离度。

图3 1562.5 MHz射频滤波器指标

图4 1607 MHz射频滤波器指标

4 模块线性放大等指标的设计

模块下变频的增益指标在20 dB左右，噪声系数10 dB以内，镜频抑制50 dBc以上，在输出-5 dBm时，三阶交调抑制达到-60 dBc，输出信号不超过14 dBm。

图5 导航模块下变频通道链路仿真结果

传输特性经过链路仿真，链路的增益、噪声系数等如图5所示。另外，如图6中所示，仿真的三阶交调指标可达到65 dBc。

图6 导航模块线性放大指标仿真结果

为了保证系统的输出信号不超过14 dBm，接收通道末级选取了一款Mini的限幅器RLM-33+，能够保证信号功率不超过12 dBm，1 dB压缩点达到5 dBm。

5 导航模块的本振生成电路

导航模块一共需要13 dBm的1521 MHz以及1555.5 MHz的本振信号各5路，提供给8个接收通道和2个发射通道。本文的设计中选取了2个Si4133配合单片机生成1521 MHz以及1555.5 MHz各1路，采用放大加功分的方式，产生2种信号各5路。图7是本振生成电路的原理图，2个频率的本振都可采用同样的电路生成。

图7 本振生成原理框图

6 导航模块的性能指标测试

下变频通道的测试过程中，分别输入-20 dBm的1567.5 MHz以及1602 MHz的信号，进行增益、通道隔离度、镜频抑制等指标的测试。经过测试，该模块的通道增益20 dB，1 dB压缩点5 dBm，三阶交调指标在-65dBc以上，镜频抑制55dBc以上，通道隔离度70dBc以上。该模块的整体功耗在8 W左右。模块的外形图和主要技术指标测试结果见图8至图10。

图8 导航信道模块外形图

图9 三阶交调指标测试结果

图10 镜频抑制指标测试结果

实物和仿真的指标符合性见表1。

表1 需求指标和实测指标符合性对比

7 结论

本文中描述了一款双模导航信道模块的设计方法，该模块实现了GLONASS和北斗的双模导航信号的接收，每种模式下都可以保证4个通道同时工作，且具备高的通道隔离度以及对镜频等干扰信号的高抑制度，非常适合作为导航系统的信道部分。

[1]刘基宇.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京：科学出版社，2003.

[2]王惠南.GPS卫星导航原理与应用[M].北京：科学出版社，2003.

[3]袁建平，罗建军，越小奎，方群.卫星导航原理与应用[M].北京：中国宇航出版社，2003.

[4]边少锋，李文魁.卫星导航系统概论[M].北京：电子工业出版社，2005.

[5]谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2009.

[6]王宝平，余江鑫，陈卫强.北斗二代导航接收机的卫星导航系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2013.

[7]李娟娟，杨开伟.自研BDS/GPS双模高精度接收机性能评估[J].全球定位系统，2015.

[8]吴为，赖生建，邓建华，白志刚.一种小型化北斗二代导航系统收发模块的研制[J].中国测试，2013.