Выбор и обоснование структурных схем основных функциональных блоков приемника спутниковых радиосигналов
Навигационный приемник СРНС предназначен для определения пространственных координат и составляющих вектора скорости потребителя, текущего времени и других навигационных параметров в результате приема и обработки радиосигналов, излучаемых навигационными спутниками.
Современный навигационный приемник является аналого-цифровой системой, сочетающей аналоговую и цифровую обработку сигналов. Основными функциями радиоприемника СРНС являются: усиление радиосигналов, фильтрация шумов и внеполосных помех, перенос сигналов на более низкую (промежуточную) частоту.
Выбранный мною приемник, благодаря широкому динамическому диапазону, позволяет принимать не только сигналы ГНСС прямой видимости и малого уровня, но и ретранслированные сигналы более высокого уровня, что позволяет избежать построения второго приемного тракта, что могло бы привести к большему энергопотреблению, и, как следствие, увеличению габаритов модуля. Микросхема имеет малое энергопотребление, а также еще одну важную особенность – из-за того, что опорная частота составляет 24.84 МГц, частота гетеродина не попадает в диапазон L1 ГЛОНАСС.
В соответствии с представленными аргументами мною была выбрана обобщенная схема приемной аппаратуры СРНС, приведенная на рисунке 3.2. Она содержит следующие устройства:
антенну;
радиочастотный блок (РЧБ),который состоит из входного полосового фильтра (ПФ), малошумящего усилителя (МШУ), смесителя и фильтра низкой частоты (ФНЧ);
синтезатор частот (СЧ);
полифазный фильтр (ПФФ);
два квадратурных дифференциальных канала I и Q.
Антенна навигационного приемника должна обеспечивать прием сигналов всех видимых НС, а также по возможности подавлять переотраженные от местных предметов спутниковые сигналы (помехи многолучевого распространения) и другие помехи. При этом коэффициент усиления антенны в рабочем секторе углов (0−360° по азимуту и 5−90° по углу места) не должен меняться существенно.
Обычно используют микрополосковую антенну, достоинствами которой являются малая масса и габаритные размеры, простота изготовления и дешевизна. Такая антенна состоит из двух параллельных проводящих слоев, разделенных диэлектриком: нижний проводящий слой является заземленной плоскостью, верхний − собственно излучателем антенны.
По форме излучатель может быть прямоугольником, эллипсом, пятиугольником и т. д. Антенна обычно разрабатывается для работы на низшей резонансной моде, которая излучается в основном в верхнюю полу-
Рисунок 3.2− Функциональная схема навигационного приемника
сферу (в направлении вертикальной оси). Микрополосковая антенна имеет диаграмму направленности (ДН), обеспечивающую всенаправленный прием сигналов необходимой поляризации в верхней полусфере. Наибольшее распространение получили микрополосковые антенны, имеющие круглый резонатор.
Зачастую, если расстояние от антенны до GPS-приемника превышает 10 см, применение находят активные антенны. Такая антенна интегрируется в одном модуле с предварительным усилителем, полосовым фильтром, который предназначен для обеспечения заданного значения коэффициента шума (шумовой температуры) абонентского приемника, ограничения частотного спектра шумов, режекции внеполосных помех и обычно она также включает устройство защиты входа (УЗ) , что показано на рисунке 3.3. Устройство защиты входа должно предотвращать нарушение функций последующих радиоэлектронных элементов при поступлении на его вход мощных сигналов. Как правило для работы такой антенны требуется наличие питания, которое подается по средней жиле коаксиального кабеля.
Малошумящий усилитель (2) должен иметь коэффициент шума кш ≤ 4дБ, работать в тракте с волновым сопротивлением R0 = 50 Ом и обеспечивать в рабочем диапазоне частот коэффициент усиления Ку=26−30 дБ. При выполнении данных требований шумы последующих каскадов радиоприемника практически не влияют на итоговое значение коэффициента шума АП.
Полосовой фильтр (3) осуществляет фильтрацию сигналов в полосе
Рисунок 3.3− Устройство активной антенны
частот Δf = 60 МГц (относительно несущей частоты) и подавление шумов и иных помех, действующих вне данной полосы пропускания. Параметры амплитудно-частотной характеристики ПФ выбирают в зависимости от требуемого уровня подавления внеполосных помех. Потери мощности в устройстве защиты входа составляют 1 дБ, в ПФ около 2 дБ, так что общие потери в ПУ/ПФ не превосходят 3 дБ.
Полностью интегрированный синтезатор частоты (14) с внутренним подстраиваемым фильтром ФАПЧ включает в себя перестраиваемый генератор, управляемый напряжением (ГУН) с автоматической подстройкой по рабочему поддиапазону и формирователем тактовой частоты для коррелятора. Главными преимуществами схем на основе ФАПЧ являются более чистый спектр выходного сигнала, обусловленный эффективным использованием фильтра нижних частот(16), и значительно меньшая сложность устройства по сравнению с аналоговыми синтезаторами. Основной недостаток – большее время перестройки и значительно более высокий уровень фазового шума по сравнению с аналоговыми схемами.
Детектор захвата частоты отслеживает текущее состояние петли ФАПЧ путем сравнения выходных сигналов частотно-фазового детектора, которые задают положительную(UP) и отрицательную(DN) разность фаз между сигналом опорного генератора и поделённым сигналом ГУН. Данная структура детектора захвата используется в синтезаторе с двумя частотно-фазовыми детекторами.
Полифазный фильтр разделяет сигналы GPS и ГЛОНАСС, которые попадают на соответствующие каналы с АЦП, где над ним проводится операция аналого-цифрового преобразования, т. е. дискретизации по времени и квантованию по уровню.
Из-за наличия двух квадратурных дифференциальных каналов I и Q, чувствительность приемника на 3 дБ выше, чем у его ближайших аналогов с одним каналом.