如何设计与实现GPS中的智能天线
   
  

智能天线的应用必将越来越广泛,在GPS中应用智能天线会有效地改善系统的抗干扰特性。当然,如何设计结构更加合理、性能更加优越的智能天线系统,还有待继续探讨、研究。

智能天线就是阵列天线与先进的信号处理技术相结合,将信号处理从时域和频域扩展到空域,利用接收信号的空问信息,来完成空域滤波和定位,从而形成同时具有空时处理能力的天线。与传统的FDMA(频分多址)、TDMA(时分多址)、CDMA(码分多址)方式相比,智能天线引入了SDMA(空分多址)方式。SDMA突破了传统的三维思维方式,在第四维空间上极大地提高了无线频谱资源的利用率。智能天线具有自适应调整天线方向图、跟踪期望信号、抵消干扰信号、提高信干比等很多优点。智能天线技术是信号处理中的一个重要领域。

自适应智能天线研究的核心技术是自适应算法,自适应算法对智能天线的性能和结构有至关重要的影响。经过多年的发展,智能天线理论已经日趋成熟,理论研究方面的主要工作是研究快速高效的智能天线新算法。目前,对智能天线的应用研究已经出现了很多成果,如在移动通信中的应用等。本文将基于功率倒置算[1]来设计一种应用于GPS(全球定位系统)的

智能天线系统。

  1 基于功率倒置算法的GPs智能天线系统

 1.1 智能天线结构

智能天线一般由多个天线单元组成,每一个天线后接一个复数加权器,最后用相加器进行合并输出。

智能的主要含义是指这些加权系数可以根据一定的自适应算法进行自适应调整,智能天线利用现代数字信号处理技术,选择合适的自适应算法,动态形成空间定向波束,使天线阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,从而达到充分利用移动用户信号并抵消或最大程度地抑制干扰信号的目的。给定一组加权值,一定的入射信号强度,不同入射角度的信号,由于在天线间的相位差不同,合并后的输出信号强度也会不同。理想情况下,可以做到将天线方向图主瓣对准有用信号,而把副瓣或零陷对准干扰。

1.2 GPS中智能天线系统的组成

调制在L1载波(1 575.42 MHz)上的射频信号经过BPF(带通滤波器)滤掉带外干扰,经过LNA(低噪声放大器)进行放大,经过功分器使信号以1:1的比例分为两路。在I/Q分离中使用传统的模拟方法,通过90°功分器实现。在波束形成网络中,I/O分量与权值相乘后需经过叠加输出,在叠加中除了第1 阵元的叠加系数为1,其余都将反相叠加,这一过程使用180°功分器实现。

天线接收到的GPS信号十分的微弱,信号功率只有-130 dBm(-160 dBW),经过天线阵元接收后将获得6 dBm的增益,但因天线与LNA之间放置了BPF将引入2 dBm插入损耗,使信号功率变为-126 dBm,经过LNA的放大,信号获得24 dBm的增益。经过功分器将使信号损耗4 dBm。功分器在此系统中有很重要的作用,能够对信号进行1:1的多路分配。

 1.3 数字化功率倒置算法的硬件实现

由功分器出来的信号经过1:1的同相分配,一路经过波束形成网络滤波输出,另一路用于功率倒置算法中权值的更新。信

由于A/D采样速率越高,采样精度越低,要使得算法移植到DSP(数字信号处理器)中仍能有效,必须保证采样得到的数据位数;而且采样频率过高几乎靠近射频,对DSP的速度要求也会很高。因此在具体处理时,有必要先将GPS射频信号下变频到中频,然后对其中频信号进行带通采样。

 1.3.1 下变频与I/Q分离

虽然GPS卫星信号发射的载频是公开的,但多普勒频移将使得在实际载波与己知发射载波之间发生偏离,利用己知载波下变频到零中频的卫星信号,在零频率附近会发生混叠,解决办法是下变频到一个合适中频。对于GPS信号的下变频,可供选择的芯片有CXA1951,CXA3355ER,RF2498,MAX2680/2681/2682,MAX2740/2742/2745/2744等。

 1.3.2 量化与采样精度

在A/D的量化过程中,不可避免地有信号损失,对于选定的A/D器件来说,采样精度是确定的,但接收机面对的电磁环境却是随时变化的,如果A/D的动态范围太小,会造成处于弱势的有用信号基本被量化掉。在满足采样速率足够高的情况下,应该选取采样精度至少为12 hit的A/D转换器,这样在预先进行增益处理的情况下,能够保证数据的失真尽可能小。

1.3.3 DSP模块的选择

在天线抗十扰模块的设计中,除了所应用的算法对于抑制干扰有效以外,作为天线部分的一个辅助功能模块,必须始终考虑处理的实时性问题,不能因为这部分数字信号处理工作造成后续各部分的额外困难。这也是本设计中的一个难点,因此在用来完成抗干扰算法的核心芯片的选择上,一定要处理速度足够快,同时还要保证算法的精确度。

目前芯片市场上TI公司和AD公司生产的高性能通用DSP芯片都是流行的芯片,但是TI公司的TMS320C6000系列的性能更加优越,TMS320C64X系列足TMS320C6000系列中定点运算的佼佼者。这种芯片结构的主要特点为:主频400 MHz/5 00 MHz/600 MHz,对应指令周期2.512 ns/1.67 ns(3档可选);每周期最多可以执行8条32 bit的指令,最大处理速度可达4 800 MIPs(百万条指令每秒);8个高度独立的功能单元,包括6个ALU(32 bit/40 bit)、2个乘法器、64个32 bit通用寄存器,专用存取结构;L1/L2两级存储器结构,其中有相互独立的L1P程序缓存以及LID数据缓存各128 kbit,L2(8 Mbit)为统一的程序/数据空间,可以根据需要灵活分配;2个外部存储器接口,其中一个为64 bit的EMIFA,另一个为16 bit的EMIFB;DMA控制器,具有64个独立通道;可由用户设定32 bit/16 bit总线宽度的主机接口,通过它可访问DSP的整个存储空间。

TMS320C64X相对TMS320C6000系列其他的DSP而言,处理能力在多个方面得到了提升,具有更多的功能单元,增加了交叉通道以及双字读取和存储指令,还能对数据进行打包与解包处理,极大地增强了高精度数据处理的能力。

2 功率倒置算法的软件实现及仿真

用DSP实现天线权值的实时更新,目前DSP应用程序的开发多采用高级语言和高级语言混合编写。

存在3个干扰信号的仿真结果,可以看到,3个方向上的干扰信号都被衰减到很小,这也说明算法的有效性。

越创公司简介

深圳市东莞越创实业有限公司是一家致力于GPS导航定位产品与驾驶安全预警系统于一体的高科技企业,公司位于深圳市宝安区高新技术产业园,公司现有GPS导航仪、雷达安全预警等系列产品。卓越创通与众多国际知名汽车电子企业的战略合作,使公司能够迅速掌握和了解全球同步的高精尖技术资源,以“科技创造精彩”为核心理念,不断实现技术突破与产品创新。

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