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1、(10)申请公布号 CN 103885072 A (43)申请公布日 2014.06.25 CN 103885072 A (21)申请号 201410148247.8 (22)申请日 2014.04.14 G01S 19/33(2010.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 伊国兴 侯振环 魏振楠 奚伯齐 李清华 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 张宏威 (54) 发明名称 单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号 的方法及实现该方法的装置 (57) 摘要 单射频前端采集多频。
2、点多系统卫星导航信号 的方法及实现该方法的装置， 涉及射频通信以及 卫星导航领域。它是为了简化多频多系统采集设 备结构， 降低采样频率， 从而达到降低采样器设备 成本的目的。 其方法是 ： 通过有源天线接收N个频 点为 fc_i的卫星导航信号， 并经过一级低噪声放 大器后送入混频器 ； 采用晶体振荡器产生晶振信 号并经倍频处理后送入混频器 ； 采用混频器将获 得的 GNSS 放大后信号分别与晶振信号在选定的 混频频率下进行混频， 获得 GNSS 中频信号 ； 采用 中频滤波器对获得的 GNSS 中频信号进行中频滤 波 ； 将获得的中频滤波后的信号进行模数转换后 输出。本发明适用于采集多频点多系。
3、统卫星导航 信号。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103885072 A CN 103885072 A 1/2 页 2 1. 单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法， 其特征是 ： 它由以下步骤实 现 ： 步骤一、 通过有源天线接收 N 个频点为 fc_i的卫星导航信号， 并经过一级低噪声放大器 后送入混频器 ； 步骤二、 采用晶体振荡器产生晶振信号并经倍频处理后得到本振信号 fLO， 送入混频 器 ； 步骤三、 采用混频。
4、器将步骤一获得的 GNSS 放大后信号分别与步骤二的本振信号进行 混频， 获得 GNSS 中频信号 ； 步骤四、 采用中频滤波器对步骤三获得的 GNSS 中频信号进行中频滤波， 获得滤波后的 中频信号 ； 步骤五、 将步骤四获得的滤波后的中频信号以采样率 fs进行模数转换， 获得中频采样 数据， 完成单射频前端的多频点多系统卫星导航信号的采集。 2. 根据权利要求 1 所述的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法， 其特征 在于步骤五中所述的采样频率 fs的选择方法具体为 ： 步骤 A1、 根据 N 个频点所要求 fs_i的范围， 获得 fs_i的覆盖的公共区间 fsc； 所述 fs_i。
5、满 足 ： 式中 ： fh_i是第 i 个频点 fc_i的频率上限 ； fl_i是第 i 个频点 fc_i的频率下限 ； ni取正整 数 ； 步骤 A2、 在步骤 A1 获得的公共区 fsc下， 通过公式 ： 判断选择的采样速率 fs是否会导致混叠， 若是， 则放弃选择的区间， 返回执行步骤 A1 ； 若否， 将该选择的采样速率 fs作为满足采样兼容的频率范围 ； 完成频点为 fs_i的选择 ； 式 中 ： Bi是第 i 个频点 fc_i的带宽 ； Bj是第 j 个频点 fc_i的带宽 ； fA_i是第 i 个频点 fc_i的采样 率范围 ； fA_j是第 j 个频点 fc_i的采样率范围 ；。
6、 i、 j=1、 2、 N， i j。 3. 根据权利要求 2 所述的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法， 其特征 在于步骤 A2 获得的采样速率 fs的区间根据接收机的后续基带处理复杂度、 信号质量、 功 耗， 以及元件选择的要求， 对采样频率进行优化。 4. 根据权利要求 1 所述的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法， 其特征 在于步骤二中选定本振信号 fLO的选择方法具体为 ： 步骤 B1、 根据 N 个频点为 fs_i中的最大值 fh和最小值 fl， 并相减， 确定频谱范围， 作为 基准带宽 B ； 步骤 B2、 将所有的频点的信号带宽 Bi相加， 乘以 2 再加上。
7、保护带宽 N*B0， B0的取值为 1MHz， 获得采样率的最小值 f ； 步骤 B3、 根据公式 ： 权 利 要 求 书 CN 103885072 A 2 2/2 页 3 获得频谱范围， 取整后的最低频率作为混频频率。 5. 实现权利要求 1 的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的装置， 其特征是 ： 它包括有源天线 （1） 、 低噪声放大器 （2） 、 混频器 （3） 、 中频滤波器 （4） 、 ADC 模数转换器 （5） 、 晶体振荡器 （6） 和倍频器 （7） ； 所述有源天线 （1） 的信号输出端与低噪声放大器 （2） 的信号输入端连接 ； 所述低噪声 放大器 （2） 的信号输出。
8、端与混频器 （3） 的一号信号输入端连接 ； 晶体振荡器 （6） 的晶振信号 输出端与倍频器 （7） 的信号输入端连接 ； 所述倍频器 （7） 的信号输出端与混频器 （3） 的二号 信号输入端连接 ； 混频器 （3） 的混频信号输出端与中频滤波器 （4） 的混频信号输入端连接 ； 所述中频滤波器 （4） 的中频滤波信号输出端与 ADC 模数转换器 （5） 的模拟输入端连接 ； 所 述 ADC 模数转换器 （5） 的数字输出端是中频采样数据输出端。 6. 根据权利要求 5 所述的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的装置， 其特征 在于中频滤波器 （4） 为带通滤波器。 权 利 要 求 书 C。
9、N 103885072 A 3 1/6 页 4 单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法及实现 该方法的装置 技术领域 0001 本发明涉及射频通信以及卫星导航领域。 背景技术 0002 随着卫星导航技术 （如GPS） 的日趋成熟， 其应用正在迅速进入人们的日常生活。 由 于其重要性逐步被世界范围所认可， 多个卫星导航系统已经建成或正在完善。 0003 当前世界上的导航卫星系统主要有 ： 美国的 GPS 系统、 俄罗斯的 GLONASS 系统、 欧 盟的 GALILEO 系统以及我国的北斗二代系统。各个系统不仅信号格式不同， 也有着不同的 频点， 但均集中在 1.2GHz 与 1.5GHz。
10、。 0004 随着多系统卫星导航系统 （GNSS） 的不断发展， 单独的卫星导航系统已远不能满足 社会生产和生活的需要， 卫星导航定位将进入一个多系统并用、 多技术融介的新的发展阶 段。多信号组合的 GNSS 接收机已经成为了一种趋势， 比如 GPS 的 L1、 L2C 的组合对于消除 电离层的干扰有着很好的效果 ； GPS 和 GLONASS 的组合则可以增加可视卫星的数量， 显著提 高微弱信号的捕获性能， 其中兼容性成为 GNSS 接收机多系统集成的症结所在。 0005 显著提高微弱信号的捕获性能， 其中兼容性成为 GNSS 接收机多系统集成的症结 所在。GNSS 空间信号的兼容主要是通过。
11、共用中心频率以及频谱重叠来实现的， 对于中心频 率相同的导航信号， 接收机可以采用相同的射频前端来实现导航定位 ; 然而当利用中心频 率存在差异的卫星信号进行组合定位时， 射频前端的信号兼容问题是很难解决的， 这也是 目前利用单一射频前端完成多信号接收的研究热点。 0006 不同 GNSS 系统信号频点不同， 信号格式不同， 甚至同一系统也存在不同的频点信 号， 同时处理多个系统， 相当于提高空中可见星数目， 能有效的提高定位精度。同时处理多 个频点， 能有效补偿电离层带来的误差， 从而提高精度。 可见卫星导航接收机的多系统多频 处理能力， 直接关系到其定位精度。 0007 假设需要采集 n 。
12、个频点的信号， 每个频点的中心频率为 fci， 带宽为 Bi， 多频采集的 困难在于fci本身较高， 分布在1.2GHz与1.5GHz附近， 而不同频点间有一定的距离。 典型的 数据如 GPS 的 L1 信号 ： fc=1575.42MHz， B=2MHz， 而北斗二代 B1 的 fc=1561.098MHz， B=4MHz。 0008 传统多模多频接收机， 有不同的射频通路来处理不同频率， 每个通路处理一个， 成 本与体积都较大。 而通路设计为先进行下变频， 再对中频信号进行基带采样， 获得所需的信 号。 0009 以及最近出现的直接射频采样方案， 不进行下变频， 直接通过 ADC 对放大后。
13、的射 频信号进行带通采样， 此方法仅需要一套射频链路与 ADC， 但对于链路通频带与 ADC 通频带 要求非常苛刻， 必须是射频级别的， 故成本高， 而且对于采样频率抖动也有较高要求， 实现 起来非常困难。 发明内容 说 明 书 CN 103885072 A 4 2/6 页 5 0010 本发明是为了降低采集多频点多系统卫星导航信号的采样频率的问题， 从而提供 一种单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法及实现该方法的装置。 0011 单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法， 它由以下步骤实现 ： 0012 步骤一、 通过有源天线接收 N 个频点为 fc_i的卫星导航信号， 并经过一。
14、级低噪声放 大器后送入混频器 ； 0013 步骤二、 采用晶体振荡器产生晶振信号并经倍频处理后得到本振信号 fLO， 送入混 频器 ； 0014 步骤三、 采用混频器将步骤一获得的 GNSS 放大后信号分别与步骤二的本振信号 进行混频， 获得 GNSS 中频信号 ； 0015 步骤四、 采用中频滤波器对步骤三获得的 GNSS 中频信号进行中频滤波， 获得滤波 后的中频信号 ； 0016 步骤五、 将步骤四获得的滤波后的中频信号以采样率 fs进行模数转换， 获得中频 采样数据， 完成单射频前端的多频点多系统卫星导航信号的采集。 0017 步骤五中所述的采样频率 fs的选择方法具体为 ： 0018。
15、 步骤A1、 根据N个频点所要求fs_i的范围， 获得fs_i的覆盖的公共区间fsc； 所述fs_ i满足 ： 0019 0020 式中 ： fh_i是第 i 个频点 fc_i的频率上限 ； fl_i是第 i 个频点 fc_i的频率下限 ； ni取 正整数 ； 0021 步骤 A2、 在步骤 A1 获得的公共区 fsc下， 通过公式 ： 0022 0023 判断选择的采样速率 fs是否会导致混叠， 若是， 则放弃选择的区间， 返回执行步骤 A1 ； 若否， 将该选择的采样速率 fs作为满足采样兼容的频率范围 ； 完成频点为 fs_i的选择 ； 式中 ： Bi是第 i 个频点 fc_i的带宽 ；。
16、 Bj是第 j 个频点 fc_i的带宽 ； fA_i是第 i 个频点 fc_i的采 样率范围 ； fA_j是第 j 个频点 fc_i的采样率范围 ； i、 j=1、 2、N， i j。 0024 步骤 A2 获得的采样速率 fs的区间根据接收机的后续基带处理复杂度、 信号质量、 功耗， 以及元件选择的要求， 对采样频率进行优化。 0025 步骤二中选定本振信号 fLO的选择方法具体为 ： 0026 步骤 B1、 根据 N 个频点为 fs_i中的最大值 fh和最小值 fl， 并相减， 确定频谱范围， 作为基准带宽 B ； 0027 步骤B2、 将所有的频点的信号带宽Bi相加， 乘以2再加上保护带。
17、宽N*B0， B0的取值 为 1MHz， 获得采样率的最小值 f ； 0028 步骤 B3、 根据公式 ： 0029 说 明 书 CN 103885072 A 5 3/6 页 6 0030 获得频谱范围， 取整后的最低频率作为混频频率。 0031 实现上述方法的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的装置， 它包括有源 天线 1、 低噪声放大器 2、 混频器 3、 中频滤波器 4、 ADC 模数转换器 5、 晶体振荡器 6 和倍频器 7 ； 0032 所述有源天线 1 的信号输出端与低噪声放大器 2 的信号输入端连接 ； 所述低噪声 放大器 2 的信号输出端与混频器 3 的一号信号输入端连接 。
18、； 晶体振荡器 6 的晶振信号输出 端与倍频器 7 的信号输入端连接 ； 所述倍频器 7 的信号输出端与混频器 3 的二号信号输入 端连接 ； 混频器 3 的混频信号输出端与中频滤波器 4 的混频信号输入端连接 ； 所述中频滤 波器 4 的中频滤波信号输出端与 ADC 模数转换器 5 的模拟输入端连接 ； 所述 ADC 模数转换 器 5 的数字输出端是中频采样数据输出端。 0033 本发明是一种先混频， 再带通采样的射频前端的采样方案， 实现了单射频前端采 集多频点多系统信号的效果， 采样频率大幅度降低， 并且实现方便， 成本低廉。 附图说明 0034 图 1 是本发明的原始信号的波形示意图 。
19、； 其中标记 11 为北斗 B1 的频点 ； 标记 12 为 GPSL1 的频点 ； 0035 图 2 是混频后的波形示意图 ； 0036 图 3 是混频后信号与采样频率的关系的波形示意图 ； 0037 图 4 是经过带通处理后的波形示意图 ； 0038 图 5 是本发明的单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的装置的结构示意 图。 具体实施方式 0039 具体实施方式一、 单射频前端采集多频点多系统卫星导航信号的方法， 它由以下 步骤实现 ： 0040 步骤一、 通过有源天线接收 N 个频点为 fc_i的卫星导航信号， 并经过一级低噪声放 大器后送入混频器 ； 0041 步骤二、 采用晶体振。
20、荡器产生晶振信号并经倍频处理后得到本振信号 fLO， 送入混 频器 ； 0042 步骤三、 采用混频器将步骤一获得的 GNSS 放大后信号分别与步骤二的本振信号 进行混频， 获得 GNSS 中频信号 ； 0043 步骤四、 采用中频滤波器对步骤三获得的 GNSS 中频信号进行中频滤波， 获得滤波 后的中频信号 ； 0044 步骤五、 将步骤四获得的滤波后的中频信号以采样率 fs进行模数转换， 获得中频 采样数据， 完成单射频前端的多频点多系统卫星导航信号的采集。 0045 步骤五中所述的采样频率 fs的选择方法具体为 ： 0046 步骤A1、 根据N个频点所要求fs_i的范围， 获得fs_i的。
21、覆盖的公共区间fsc； 所述fs_ i满足 ： 说 明 书 CN 103885072 A 6 4/6 页 7 0047 0048 式中 ： fh_i是第 i 个频点 fc_i的频率上限 ； fl_i是第 i 个频点 fc_i的频率下限 ； ni取 正整数 ； 0049 步骤 A2、 在步骤 A1 获得的公共区 fsc下， 通过公式 ： 0050 0051 判断选择的采样速率 fs是否会导致混叠， 若是， 则放弃选择的区间， 返回执行步骤 A1 ； 若否， 将该选择的采样速率 fs作为满足采样兼容的频率范围 ； 完成频点为 fs_i的选择 ； 式中 ： Bi是第 i 个频点 fc_i的带宽 ； 。
22、Bj是第 j 个频点 fc_i的带宽 ； fA_i是第 i 个频点 fc_i的采 样率范围 ； fA_j是第 j 个频点 fc_i的采样率范围 ； i、 j=1、 2、N， i j。 0052 步骤A2获得的采样速率fs的区间根据接收机的后续基带处理复杂度、 信号质量、 功耗， 以及元件选择的要求， 对采样频率进行优化。 0053 步骤二中选定本振信号 fLO的选择方法具体为 ： 0054 步骤 B1、 根据 N 个频点为 fs_i中的最大值 fh和最小值 fl， 并相减， 确定频谱范围， 作为基准带宽 B ； 0055 步骤B2、 将所有的频点的信号带宽Bi相加， 乘以2再加上保护带宽N*B。
23、0， B0的取值 为 1MHz， 获得采样率的最小值 f ； 0056 步骤 B3、 根据公式 ： 0057 0058 获得频谱范围， 取整后的最低频率作为混频频率。 0059 本发明通过选择合适的下变频频率与带通采样频率， 实现在同一个射频前端采集 多个频点的卫星信号， 并且采样频率低于现有方法。 0060 基本定义 ： 0061 窄带信号 ： 当调制在载波上的有用信号本身的带宽远小于载波频率， 这样的信号 叫做窄带信号。 GNSS系统载波集中在1.2GHz与1.5GHz， 而信号带宽小于4MHz， 因此属于典 型的窄带信号。 0062 下变频 ： 超外差接收机常见的处理方法。将收到的射频信。
24、号与本地产生的与射频 信号频率相当的本振进行混频， 相当于两个频率做差， 得到的是差频信号与倍频信号， 再通 过中频滤波器， 滤除倍频信号， 即可得到差频后的信号， 差频信号频率与本振频率有关。下 变频操作只相当于频谱移动， 并不改变不同信号段之间的位置关系。 0063 带通采样 ： 若信号频率大于采样频率， 此时属于带通采样。频谱将发生混叠。 0064 基带采样 ： 若信号频率小于采样频率的一半， 此时满足奈奎斯特采样定理， 称为基 带采样。 0065 传统多模多频接收机， 有不同的射频通路来处理不同频率， 每个通路处理一个， 成 本与体积都较大。 而通路设计为先进行下变频， 再对中频信号进。
25、行基带采样， 获得所需的信 说 明 书 CN 103885072 A 7 5/6 页 8 号。 0066 本发明针对所需要解决的问题， 以及现有方案的不足， 提出一种先混频， 再带通采 样的射频前端实现思路， 达到了单射频前端采集多频点多系统信号的效果， 并且实现方便， 成本低廉。 0067 由于 GNSS 系统所有的频率相关数值， 都是 fo=1.023MHz 的整数倍， 因此后面叙述 时仅标出的是 fo的倍数。 0068 下面以同时采集北斗 B1 与 GPSL1 两个频点的信号为例说明本发明的方法。 0069 图 1 为原始信号， 0070 fc1=1526MHz ； B1=4MHz ； 。
26、fc2=1540MHz ； B2=2MHz ； 0071 可以看到， 两段信号有一定的间隔 ； 0072 混频频率选择 ： 0073 fL0=1502MHz ； 0074 因此得到的中频频率 ： 0075 fIF1=1526-1502=24， fIF2=1540-1502=38 ； 0076 混频后的频谱分布如下图 2， 可以看到， 两频段的间隔不变， 只是统一的向左平移 0077 1502。 0078 选取 fs=18， 故两个中频频率都大于 18， 进行的是带通采样。混频后信号与采样频 率的关系如下图 3 所示 ； 0079 由于 ： 0080 FIF1=24=fs+6， FIF2=38=。
27、2fs+2 ； 0081 故带通采样后， 经过了频谱折叠， 有效信号分布如下图 4 所示。 0082 可以看到， 信号都集中在 1 3 与 4 8 两频段内， 都小于 0.5fs=9， 此时满足奈奎 斯特定理， 可以完整的复现信息， 此时采样后的数字中频将同时包含 B1 与 L1 两个频点， 北 斗与 GPS 两个系统的信息。 0083 其中混频后采样前需要经过带通滤波器， 仅允许2040的信号通过， 可以提高信 噪比。 0084 上面就是以北斗 B1 与 GPSL1 两个频点为例， 阐述了本发明的基本流程， 实际上的 选取需要根据所期望的频点与信号带宽进行选择， 理论依据如下 ： 0085 。
28、中心频率很高的 GNSS 调制信号可以视为一个限制在 (fl,fh) 的带通信号 X(t) ； 信 号带宽 B=fl-fh， 则对其进行带通采样的速率 fs需要满足 ： 0086 0087 带通采样会使频谱发生重叠， 因此对射频上分离的多个频段的信号进行带通采 样， 它们都会混叠进入第 1Nyquist 区， 也就保证了在 0 到 0.5fs频段内包含所需要的信号。 0088 从上面的例子可以看出， 通过本方法选择的采样频率与混频频率， 可以将多个频 点的信号统一折叠到基频， 用较低的采样率即可完成操作。 0089 具体实施方式二、 实现具体实施方式一的单射频前端采集多频点多系统卫星导航 信号。
29、的装置， 它包括有源天线 1、 低噪声放大器 2、 混频器 3、 中频滤波器 4、 ADC 模数转换器 5、 晶体振荡器 6 和倍频器 7 ； 说 明 书 CN 103885072 A 8 6/6 页 9 0090 所述有源天线 1 的信号输出端与低噪声放大器 2 的信号输入端连接 ； 所述低噪声 放大器 2 的信号输出端与混频器 3 的一号信号输入端连接 ； 晶体振荡器 6 的晶振信号输出 端与倍频器 7 的信号输入端连接 ； 所述倍频器 7 的信号输出端与混频器 3 的二号信号输入 端连接 ； 混频器 3 的混频信号输出端与中频滤波器 4 的混频信号输入端连接 ； 所述中频滤 波器 4 的。
30、中频滤波信号输出端与 ADC 模数转换器 5 的模拟输入端连接 ； 所述 ADC 模数转换 器 5 的数字输出端是中频采样数据输出端。 0091 具体实施方式三、 本具体实施方式与具体实施方式二所述的单射频前端采集多频 点多系统卫星导航信号的装置的区别在于， 中频滤波器 4 为带通滤波器。 0092 本实施方式中， 混频后采样前需要经过带通滤波器， 仅允许20MHz40MHz的信号 通过， 能够大幅度提高信噪比。 说 明 书 CN 103885072 A 9 1/2 页 10 图 1 图 2 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103885072 A 10 2/2 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 103885072 A 11 。