基于ISL5416的GPS／BD-2接收機(jī)DDC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1．1 整體結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有16個(gè)天線陣元。接收的信號(hào)有GPS的L1波段，信號(hào)頻帶為(1575.42±1.023)MHz，BD-2的B1波段，信號(hào)頻帶為(1561.098± 2.046)MHz。
接收機(jī)總體框圖如圖1所示。16個(gè)天線分別對(duì)應(yīng)16個(gè)射頻通道，射頻通道只是信號(hào)通路，信號(hào)經(jīng)過射頻通道沒有發(fā)生性質(zhì)變化，只是信號(hào)頻譜從射頻搬移到中頻。接收機(jī)對(duì)北斗和GPS信號(hào)的接收共用一個(gè)射頻通道，并且這一射頻通道在結(jié)構(gòu)上也更加簡化。ADC輸出的數(shù)字信號(hào)仍然屬于多載波的中頻信號(hào)，需通過2個(gè)DDC通道作下變頻處理從而分別得到GPS和BD-2信號(hào)的數(shù)字基帶信號(hào)。因此，最終實(shí)現(xiàn)16個(gè)陣元的信號(hào)接收需要32個(gè)DDC通道，ISL5416是4通道DDC，8片ISL5416組合的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)要求。

1．2 工作原理
軟件無線電中，信號(hào)的解調(diào)是在基帶上完成的，因此基于低通或帶通采樣得到的數(shù)字中頻信號(hào)都需要通過數(shù)字正交變頻技術(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶信號(hào)。數(shù)字下變頻器是將實(shí)數(shù)的數(shù)字中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)的數(shù)字基帶信號(hào)，其正交性由數(shù)控振蕩器(NCO)輸出的正交本振來保證。經(jīng)下變頻的數(shù)字基帶信號(hào)一般都有比較嚴(yán)重的過采樣狀態(tài)，因此在下變頻中要進(jìn)行抽取處理，降低數(shù)據(jù)率，減輕后續(xù)處理的負(fù)擔(dān)。數(shù)字下變頻框圖如圖2所示。

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
2．1 器件選型
目前數(shù)字下變頻器主流實(shí)現(xiàn)方案有2種：FPGA方案和ASIC芯片方案。
1)FPGA擅長并行運(yùn)算和流水線處理，能夠滿足DDC對(duì)高速處理需求，另外，由于FPGA設(shè)計(jì)的靈活性，使DDC模塊能根據(jù)具體系統(tǒng)的需求量身定制，實(shí)現(xiàn)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合。其缺點(diǎn)是參數(shù)調(diào)整的靈活性差難以實(shí)現(xiàn)可變帶寬，程序的效率和可靠性難以保證，開發(fā)調(diào)試難度大，另外占用FPGA資源較多。
2)由于DDC在無線電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，DDC專用芯片(ASIC)的性能經(jīng)過嚴(yán)格驗(yàn)證，其可靠性和穩(wěn)定性相對(duì)FPGA程序要高很多，用戶可靈活配置其內(nèi)部參數(shù)以實(shí)現(xiàn)不同指標(biāo)。但ASIC的結(jié)構(gòu)固定，處理性能有一定局限。目前常見的DDC專用芯片有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(tǒng)設(shè)計(jì)要求DDC通道數(shù)較多，并要求將寬帶數(shù)字中頻信號(hào)中不同載頻和帶寬的信號(hào)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(dú)立的NCO、混頻器、數(shù)字濾波器、AGC和重采樣濾波器，每個(gè)通道都可以獨(dú)立編程并且實(shí)時(shí)更新，能夠通過將各個(gè)通道級(jí)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(shù)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)系統(tǒng)，信號(hào)經(jīng)射頻通道下變頻到中頻后，信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通采樣，根據(jù)帶通采樣原理可設(shè)DDC的NCO頻率分別為12．58和26902 MHz。最大信號(hào)帶寬為4 MHz，所以可將下變頻信號(hào)進(jìn)行16倍抽取，最后得到I、Q基帶信號(hào)以5 MHz的數(shù)據(jù)率輸出，DDC芯片ISL5416系統(tǒng)時(shí)鐘也設(shè)計(jì)為80 MHz，ISL5416有4個(gè)獨(dú)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(hào)輸入接口，但內(nèi)部交叉開關(guān)可以靈活配置輸入連接，所以為了方便硬件電路設(shè)計(jì)，只選用兩組接口分別接到2個(gè)ADC芯片的輸出，再通過芯片交叉開關(guān)配置將信號(hào)連接分配到4個(gè)DDC通道輸入信號(hào)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(shè)計(jì)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。