GPS中智能天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　智能天線就是陣列天線與先進(jìn)的信號處理技術(shù)相結(jié)合，將信號處理從時(shí)域和頻域擴(kuò)展到空域，利用接收信號的空問信息，來完成空域?yàn)V波和定位，從而形成同時(shí)具有空時(shí)處理能力的天線。與傳統(tǒng)的FDMA（頻分多址）、TDMA（時(shí)分多址）、CDMA（碼分多址）方式相比，智能天線引入了SDMA（空分多址）方式。SDMA突破了傳統(tǒng)的三維思維方式，在第四維空間上極大地提高了無線頻譜資源的利用率。智能天線具有自適應(yīng)調(diào)整天線方向圖、跟蹤期望信號、抵消干擾信號、提高信干比等很多優(yōu)點(diǎn)。智能天線技術(shù)是信號處理中的一個重要領(lǐng)域。

　　自適應(yīng)智能天線研究的核心技術(shù)是自適應(yīng)算法，自適應(yīng)算法對智能天線的性能和結(jié)構(gòu)有至關(guān)重要的影響。經(jīng)過多年的發(fā)展，智能天線理論已經(jīng)日趨成熟，理論研究方面的主要工作是研究快速高效的智能天線新算法。目前，對智能天線的應(yīng)用研究已經(jīng)出現(xiàn)了很多成果，如在移動通信中的應(yīng)用等。本文將基于功率倒置算［1］來設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于GPS（全球定位系統(tǒng)）的智能天線系統(tǒng)。

　　1 基于功率倒置算法的GPs智能天線系統(tǒng)

　　1.1 智能天線結(jié)構(gòu)

　　智能天線一般由多個天線單元組成，每一個天線后接一個復(fù)數(shù)加權(quán)器，最后用相加器進(jìn)行合并輸出。

　　智能的主要含義是指這些加權(quán)系數(shù)可以根據(jù)一定的自適應(yīng)算法進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，智能天線利用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)，選擇合適的自適應(yīng)算法，動態(tài)形成空間定向波束，使天線陣列方向圖主瓣對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，從而達(dá)到充分利用移動用戶信號并抵消或最大程度地抑制干擾信號的目的。給定一組加權(quán)值，一定的入射信號強(qiáng)度，不同入射角度的信號，由于在天線間的相位差不同，合并后的輸出信號強(qiáng)度也會不同。理想情況下，可以做到將天線方向圖主瓣對準(zhǔn)有用信號，而把副瓣或零陷對準(zhǔn)干擾。

　　1.2 GPS中智能天線系統(tǒng)的組成

　　調(diào)制在L1載波（1 575.42 MHz）上的射頻信號經(jīng)過BPF（帶通濾波器）濾掉帶外干擾，經(jīng)過LNA（低噪聲放大器）進(jìn)行放大，經(jīng)過功分器使信號以1：1的比例分為兩路。在I/Q分離中使用傳統(tǒng)的模擬方法，通過90°功分器實(shí)現(xiàn)。在波束形成網(wǎng)絡(luò)中，I/O分量與權(quán)值相乘后需經(jīng)過疊加輸出，在疊加中除了第1 陣元的疊加系數(shù)為1，其余都將反相疊加，這一過程使用180°功分器實(shí)現(xiàn)。

　　天線接收到的GPS信號十分的微弱，信號功率只有-130 dBm（-160 dBW），經(jīng)過天線陣元接收后將獲得6 dBm的增益，但因天線與LNA之間放置了BPF將引入2 dBm插入損耗，使信號功率變?yōu)?126 dBm，經(jīng)過LNA的放大，信號獲得24 dBm的增益。經(jīng)過功分器將使信號損耗4 dBm。功分器在此系統(tǒng)中有很重要的作用，能夠?qū)π盘栠M(jìn)行1：1的多路分配。

　　1.3 數(shù)字化功率倒置算法的硬件實(shí)現(xiàn)

　　由功分器出來的信號經(jīng)過1：1的同相分配，一路經(jīng)過波束形成網(wǎng)絡(luò)濾波輸出，另一路用于功率倒置算法中權(quán)值的更新。信由于A/D采樣速率越高，采樣精度越低，要使得算法移植到DSP（數(shù)字信號處理器）中仍能有效，必須保證采樣得到的數(shù)據(jù)位數(shù)；而且采樣頻率過高幾乎靠近射頻，對DSP的速度要求也會很高。因此在具體處理時(shí)，有必要先將GPS射頻信號下變頻到中頻，然后對其中頻信號進(jìn)行帶通采樣。

　　1.3.1 下變頻與I/Q分離

　　雖然GPS衛(wèi)星信號發(fā)射的載頻是公開的，但多普勒頻移將使得在實(shí)際載波與己知發(fā)射載波之間發(fā)生偏離，利用己知載波下變頻到零中頻的衛(wèi)星信號，在零頻率附近會發(fā)生混疊，解決辦法是下變頻到一個合適中頻。對于GPS信號的下變頻，可供選擇的芯片有CXA1951，CXA3355ER，RF2498，MAX2680/2681/2682，MAX2740/2742/2745/2744等。

　　1.3.2 量化與采樣精度

　　在A/D的量化過程中，不可避免地有信號損失，對于選定的A/D器件來說，采樣精度是確定的，但接收機(jī)面對的電磁環(huán)境卻是隨時(shí)變化的，如果A/D的動態(tài)范圍太小，會造成處于弱勢的有用信號基本被量化掉。在滿足采樣速率足夠高的情況下，應(yīng)該選取采樣精度至少為12 hit的A/D轉(zhuǎn)換器，這樣在預(yù)先進(jìn)行增益處理的情況下，能夠保證數(shù)據(jù)的失真盡可能小。

　　1.3.3 DSP模塊的選擇

　　在天線抗十?dāng)_模塊的設(shè)計(jì)中，除了所應(yīng)用的算法對于抑制干擾有效以外，作為天線部分的一個輔助功能模塊，必須始終考慮處理的實(shí)時(shí)性問題，不能因?yàn)檫@部分?jǐn)?shù)字信號處理工作造成后續(xù)各部分的額外困難。這也是本設(shè)計(jì)中的一個難點(diǎn)，因此在用來完成抗干擾算法的核心芯片的選擇上，一定要處理速度足夠快，同時(shí)還要保證算法的精確度。

　　目前芯片市場上TI公司和AD公司生產(chǎn)的高性能通用DSP芯片都是流行的芯片，但是TI公司的TMS320C6000系列的性能更加優(yōu)越，TMS320C64X系列足TMS320C6000系列中定點(diǎn)運(yùn)算的佼佼者。這種芯片結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)為：主頻400 MHz/5 00 MHz/600 MHz，對應(yīng)指令周期2.512 ns/1.67 ns（3檔可選）；每周期最多可以執(zhí)行8條32 bit的指令，最大處理速度可達(dá)4 800 MIPs（百萬條指令每秒）；8個高度獨(dú)立的功能單元，包括6個ALU（32 bit/40 bit）、2個乘法器、64個32 bit通用寄存器，專用存取結(jié)構(gòu)；L1/L2兩級存儲器結(jié)構(gòu)，其中有相互獨(dú)立的L1P程序緩存以及LID數(shù)據(jù)緩存各128 kbit，L2（8 Mbit）為統(tǒng)一的程序/數(shù)據(jù)空間，可以根據(jù)需要靈活分配；2個外部存儲器接口，其中一個為64 bit的EMIFA，另一個為16 bit的EMIFB；DMA控制器，具有64個獨(dú)立通道；可由用戶設(shè)定32 bit/16 bit總線寬度的主機(jī)接口，通過它可訪問DSP的整個存儲空間。

　　TMS320C64x相對TMS320C6000系列其他的DSP而言，處理能力在多個方面得到了提升，具有更多的功能單元，增加了交叉通道以及雙字讀取和存儲指令，還能對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包與解包處理，極大地增強(qiáng)了高精度數(shù)據(jù)處理的能力。

　　2 功率倒置算法的軟件實(shí)現(xiàn)及仿真

　　用DSP實(shí)現(xiàn)天線權(quán)值的實(shí)時(shí)更新，目前DSP應(yīng)用程序的開發(fā)多采用高級語言和高級語言混合編寫。

　　存在3個干擾信號的仿真結(jié)果，可以看到，3個方向上的干擾信號都被衰減到很小，這也說明算法的有效性。

　　3 結(jié)束語

　　智能天張的應(yīng)用必將越來越廣泛，在GPS中應(yīng)用智能天線會有效地改善系統(tǒng)的抗干擾特性。當(dāng)然，如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加合理、性能更加優(yōu)越的智能天線系統(tǒng)，還有待繼續(xù)探討、研究。