基于ISL5416的GPS／BD-2接收機DDC設計與實(shí)現

全球衛星導航具有政治、經(jīng)濟、軍事等多方面的重要意義，世界各大國和國家集團都在競相發(fā)展全球定位衛星系統。目前4大衛星導航系統(GPS，Galileo，GLONASS以及中國的BD-2)并存的格局日漸端倪，多個(gè)導航衛星星座的建立使多星座兼容操作成為可能。對多星座兼容接收機而言，同一時(shí)刻可視衛星的數量增加，一方面使系統的可用性得到了提高，另一方面使衛星的選擇范圍擴大，有利于我們采用選星策略去選擇位置更好的衛星，提高定位精度等。GPS是目前世界上最成熟的衛星導航系統，BD-2是我國自主研發(fā)的新一代衛星導航系統。目前，對G-PS／BD-2兼容接收機的研究還處于起步階段。針對GPS和BD-2開(kāi)展研究，對于我國國家經(jīng)濟安全和國防安全意義重大。
隨著(zhù)GPS抗干擾技術(shù)的發(fā)展，為了實(shí)現數字波束形成，在此基礎上,加上某種自適應抗干擾算法，現代的GPS接收機一般都采用陣列天線(xiàn)，要求有多個(gè)天線(xiàn)接收通道。因此多通道多載波的DDC設計是實(shí)現GPS／SD-2接收機的重要基礎，也是設計實(shí)現中的難點(diǎn)，隨著(zhù)DDC通道數增加硬件資源開(kāi)銷(xiāo)增大，增加了硬件設計的困難。這里采用專(zhuān)用數字下變頻器件ISL5416，結合實(shí)際工程需求完成了16陣元GPS／BD-2接收機的DDC設計。

1 系統整體結構設計
1．1 整體結構
該系統設計有16個(gè)天線(xiàn)陣元。接收的信號有GPS的L1波段，信號頻帶為(1575.42±1.023)MHz，BD-2的B1波段，信號頻帶為(1561.098± 2.046)MHz。
接收機總體框圖如圖1所示。16個(gè)天線(xiàn)分別對應16個(gè)射頻通道，射頻通道只是信號通路，信號經(jīng)過(guò)射頻通道沒(méi)有發(fā)生性質(zhì)變化，只是信號頻譜從射頻搬移到中頻。接收機對北斗和GPS信號的接收共用一個(gè)射頻通道，并且這一射頻通道在結構上也更加簡(jiǎn)化。ADC輸出的數字信號仍然屬于多載波的中頻信號，需通過(guò)2個(gè)DDC通道作下變頻處理從而分別得到GPS和BD-2信號的數字基帶信號。因此，最終實(shí)現16個(gè)陣元的信號接收需要32個(gè)DDC通道，ISL5416是4通道DDC，8片ISL5416組合的結構能夠實(shí)現系統要求。

1．2 工作原理
軟件無(wú)線(xiàn)電中，信號的解調是在基帶上完成的，因此基于低通或帶通采樣得到的數字中頻信號都需要通過(guò)數字正交變頻技術(shù)轉換為數字基帶信號。數字下變頻器是將實(shí)數的數字中頻信號轉換為復數的數字基帶信號，其正交性由數控振蕩器(NCO)輸出的正交本振來(lái)保證。經(jīng)下變頻的數字基帶信號一般都有比較嚴重的過(guò)采樣狀態(tài)，因此在下變頻中要進(jìn)行抽取處理，降低數據率，減輕后續處理的負擔。數字下變頻框圖如圖2所示。

2 設計實(shí)現
2．1 器件選型
目前數字下變頻器主流實(shí)現方案有2種：FPGA方案和ASIC芯片方案。
1)FPGA擅長(cháng)并行運算和流水線(xiàn)處理，能夠滿(mǎn)足DDC對高速處理需求，另外，由于FPGA設計的靈活性，使DDC模塊能根據具體系統的需求量身定制，實(shí)現資源和性能的優(yōu)化，特別適合一些需要高帶寬或特殊采樣率的場(chǎng)合。其缺點(diǎn)是參數調整的靈活性差難以實(shí)現可變帶寬，程序的效率和可靠性難以保證，開(kāi)發(fā)調試難度大，另外占用FPGA資源較多。
2)由于DDC在無(wú)線(xiàn)電系統中應用廣泛，DDC專(zhuān)用芯片(ASIC)的性能經(jīng)過(guò)嚴格驗證，其可靠性和穩定性相對FPGA程序要高很多，用戶(hù)可靈活配置其內部參數以實(shí)現不同指標。但ASIC的結構固定，處理性能有一定局限。目前常見(jiàn)的DDC專(zhuān)用芯片有Intersil公司的單通道DDC HSP5001 6，HSP50214．4通道的DDC HSP50216，ISL5416；ADI公司的集成ADC和4／6個(gè)DDC通道的AD6654。
綜合考慮該系統設計要求DDC通道數較多，并要求將寬帶數字中頻信號中不同載頻和帶寬的信號分離到中頻，因此這里采用ISL5416型DDC。ISL5416是4通道大動(dòng)態(tài)范圍寬帶可編程DDC，每個(gè)通道有獨立的NCO、混頻器、數字濾波器、AGC和重采樣濾波器，每個(gè)通道都可以獨立編程并且實(shí)時(shí)更新，能夠通過(guò)將各個(gè)通道級聯(lián)或者多相濾波以增加處理帶寬，其功能框圖如圖3所示。

2．2 DDC電路及參數設計
本設計系統，信號經(jīng)射頻通道下變頻到中頻后，信號頻帶分別為GPS：(67．42±1．023)MHz，BD-2：(53．098±2．046)MHz。ADC采樣率為80 MHz，對信號進(jìn)行帶通采樣，根據帶通采樣原理可設DDC的NCO頻率分別為12．58和26902 MHz。最大信號帶寬為4 MHz，所以可將下變頻信號進(jìn)行16倍抽取，最后得到I、Q基帶信號以5 MHz的數據率輸出，DDC芯片ISL5416系統時(shí)鐘也設計為80 MHz，ISL5416有4個(gè)獨立的下變頻通道，分別取2個(gè)作為GPS和BD-2下變頻通道。ISL5416有4組信號輸入接口，但內部交叉開(kāi)關(guān)可以靈活配置輸入連接，所以為了方便硬件電路設計，只選用兩組接口分別接到2個(gè)ADC芯片的輸出，再通過(guò)芯片交叉開(kāi)關(guān)配置將信號連接分配到4個(gè)DDC通道輸入信號接口。同時(shí)，ISL5416輸入接口為17位，為了連接14位ADC芯片AD6645的輸出，在硬件設計上，將ISL5416輸入口的低3位接地，高14位接ADC輸入。ISL5416關(guān)鍵部分電路原理圖如圖4所示。