卫星定位信号接收机系统研究与设计

卫星定位信号接收机系统研究与设计（共6篇）

篇1：卫星信号接收系统的防雷保护

随着卫星技术的不断发展,卫星信号接收越来越被重视,应用范围也越来越广泛,在卫星信息系统的建设过程中对防雷保护的要求也是更加严格了。做好防雷保护能够减少雷电对卫星信号的干扰,能保护数据传输信号的稳定运行;同时,也能够保证工作人员的生命安全、减轻工作人员的工作压力、减少因雷电对设备损耗的维修成本。

1 雷电对卫星信号接收的影响

由于卫星信号接收系统的不断完善,卫星接收系统的防雷工作已被提上日常,我国也针对不同的雷电类型制定了不同的卫星接收系统的防雷工程理念。这些理念在卫星信号接受领域已被大面积的使用了,在一定程度上取得了良好的回响。

1.1 直击雷

直击雷是指有雷云产生时,雷电对一些高层建筑或者建筑物的构成物进行放电的现象,这种雷电所产生的雷电流在几十千安到几百千安不等。这种雷电破坏性巨大,对卫星接收系统造成的损失也是不可估量的。

1.2 感应雷

感应雷一般也称二次雷,是由雷电引起的静电感应和电磁感应。通常情况下,感应雷的威力是小于直击雷的。但是,感应雷的发生几率却远超于直击雷。感应雷可以通过电力线甚至电话线等导体传播到远方,使感应雷危害的范围被扩大。同样,感应雷对卫星接收系统的损害也是巨大的。

雷击对卫星信号接收系统,卫星数据网络设备的危害是巨大的,并且由于卫星接收系统的受损所造成的通讯中断、广播电视的不能正常运行更是具有不可计量的损失,不能有效的避免雷电对卫星接收系统的损害,在很大程度上也会对工作人员的生命安全有着危害,也会造成额外的维修费用,带来经济损失。

2 防雷技术的应用

由于对雷电有了客观且全面的认知,我国的卫星信号接收系统的防雷工作也取得了巨大的进步。目前,我国的卫星信号接收系统的防雷方法大体两种,分别是有电源防雷技术和引雷技术。现代防雷工程技术则有防直击雷、防感应雷、防雷电波引入和防点脉冲。

2.1 电源防雷技术

目前,我国的卫星信号接收系统的主要供电电源选用的一般是德国DEHN公司所生产的电涌保护器。电涌保护器是一种通过抑制雷电产生时瞬间高电压以及通过旁路引走电流,从而起到保护电路,以达到保护卫星信号接收系统的作用。这种装置能在最短时间内将需要保护的电路转接入等电系统中,还要将雷电爆发时瞬间产生的高电压转移至大地中从而达到保护电路中相关设备的目的。根据雷电威力的不同,这种装备通常分为避雷器和过压保护器两种。一般情况下,还需要在卫星信号接收系统的电源处安装一个不间断电源的装置。这种装置也具有防雷的作用,通过这两种装置的配合,能够更好的达到让卫星信号接收系统稳定运行的目的。

2.2 引雷技术

通常人们所说的引雷技术就是安放避雷针。一般避雷针的安放呈等边三角形,这样的设计可以防止360°的直击对整个卫星信号接收系统的危害。一般我国所选用的是法国生产的一款专用避雷针,这种避雷针能够产生一种较快的上行先导,发出来的上行先导能提前到达数十米甚至上百米远的地方,到达之后会于雷电产生的下行先导相对接。通俗的说,就是避雷针能够提前放电,从而能吸收更多的雷电流,最终达到引雷,从而保护整个卫星信号接收系统。这种技术能够有效的保护卫星接收系统,甚至在可以说很大程度的保护了整个建筑。

3 结语

综上所述,雷电对卫星信号接受系统的影响不容小觑。为了保证卫星接受信号系统的稳定运行,需要采取多种方式保护卫星信号接受系统不受雷电的影响。防雷保护工作做好,不只是简单的能够保护卫星信号接受系统,还能有效保护工作人员的人生安全,减轻工作人员的工作任务,既减少了维修成本,更是在一定程度上保护了卫星信号接收系统的正常运行。由此可见,保护卫星信号接收系统不受雷电的影响是益处良多的,非常值得推广。

摘要：每当进入雷雨季节,频繁的雷电现象则会对卫星信号接收系统产生一定程度上的影响,有的甚至会对卫星接收系统造成破坏。这种破坏不仅会严重影响卫星信号的接收,更是对经济造成了不可挽回的损失。因此,如何进行卫星接收信号的防雷工作是卫星接收技术发展的重点工作。这就要求我国切实的发展和创新卫星接收系统的防雷工作,从而达到保证我国卫星信号接收系统能够安全稳定的运行。

关键词：雷电,卫星信号,防雷保护

参考文献

篇2：卫星定位信号接收机系统研究与设计

校园电视节目的安全播出是事关学校安全稳定的头等大事。本文从稳定可靠、经济实用的角度出发，利用当卫星电视信号接收机收到非法干扰信号时，Eb/No值会迅速降低的特点，设计了安全接收校园卫星电视信号控制电路。确保一旦出现非法干扰信号时，马上切断电视节目转换器的电源，同时发出光声报警。

引言

学校是培养社会主义现代化事业建设者和接班人的摇篮，校园电视节目的安全播出是事关学校安全稳定的头等大事。当前，海外敌对势力和不法分子不断通过广播电视对我国进行分化和渗透。特别是部分邪教组织选择卫星作为主要对象，对我国卫星电视信号进行刻意攻击和破坏。为此，各级广播电视系统通过加强管理并且分别采用价值较高的仪器及监测设备等一系列的安全技术措施，确保卫星电视节目的安全播出。而学校由于受设备能力和经济条件等限制，一般不具有相关监测设备，通常通过工作人员的实时监控来实现卫星电视信号安全接收和转播。为此，设计一个既安全可靠又经济实用的安全接收校园卫星电视信号自动控制器就成为很有必要。

设计原理

不法分子攻击广播电视卫星信号主要是用非法信号覆盖卫星转发器的上行信号，造成下行接收的卫星信号由原来的正常信号转变为非法信号。在不法分子攻击卫星信号开始覆盖卫星正常信号时，由于TS传输流的编码结构、复用结构、表格参数、名称都会发生突变，卫星电视节目接收机在解复用和解码时会出现解码不连续、解码缓冲区溢出、各种解复用和解码参数重新初始化等内部过程，对应输出的视频信号会出现短时间的马赛克、静帧、黑屏，声音短时间丢失或突变等现象。当上行卫星信号受到非法干扰时，数字卫星电视信号接收机的单位比特数据信号的能量与单位带宽内的噪声能量之比值Eb/No就会迅速降低。利用这一特点，设计制作校园卫星电视节目安全接收控制电路，并通过检测卫星电视接收机接收卫星信号的Eb/No值的变化，来实现控制目的。

安全接收校园卫星电视信号的控制原理框图如图1所示，利用Eb/No值去控制相关控制电路，一方面输出控制信号，使电视节目转换器切断电源，确保非法信号不被播出；另一方面同时发出光声报警，以提醒工作人员，以便迅速关闭电视转播系统或插播其他应急信号。

控制电路设计及元件功能

根据安全接收校园卫星电视信号控制原理，利用光电耦合器作为隔离电路，直流电子开关放大器作为检测信号放大电路，继电器作为电视节目转换器电源控制，红色发光二极管作为指示报警，语音录放集成电路及扬声器作为声音报警。将安全接收校园卫星电视信号控制电路设计成如图2所示，控制电路供电电源为+9V。各元件的功能及主要参数分别如下所述：

控制过程

通常情况下，当卫星电视节目信号正常时，所接收的有用信号单位比特数据信号的能量与单位带宽内的噪声能量之比值Eb/No在70%以上，当数字卫星接收机受到非法信号干扰时，Eb/No会迅速下降，利用这一特点，可以设定一定的Eb/No值作为防止非法信号的门限值，门限值可根据具体情况而确定，一般可设为30%。一旦Eb/No值低于门限值，控制电路就动作，及时关闭电视节目转换器电源，同时通过光、声实现报警。

在图2中，当接收的卫星电视节目信号正常时，Eb/No值较高，大于门限值，光电耦合器IC1②脚为低电平，①脚为高电平，IC1导通，IC1⑤脚被短路，直流电子开关IC3⑤脚为低电位，IC3截止，IC3②、③脚输出为低电位，继电器K不工作，对电视节目转播器的工作不影响，LED2和IC2、IC4、BL分别不工作，不出现报警状况。

当卫星电视节目接收机收到时非法干扰信号时，Eb/No值将迅速下降，低于门限值，光电耦合器IC1①脚为低电平，②脚为高电平，IC1截止，对直流电子开关IC3没有影响，这时，IC3⑤脚由9V电源经过RP1、R6、R5供电，为高电平，IC3导通，IC3②、③脚输出高电平，继电器K动作，使继电器常闭接点断开，切断电视节目转播器的供电电源，确保非法干扰信号不被转换播出。同时，LED2通电导通发出高亮度红色报警光。IC2导通，并触发语言录放报警集成电路IC4工作。通过扬声器BL发出语音报警信息。

当非法干扰信号消失时，Eb/No值又将恢复，大于门限值，IC1导通，电路恢复正常，继电器K不动作，同时光电报报警解除，电视节目转播器恢复正常播出。

结束语

篇3：卫星定位信号接收机系统研究与设计

目前, 县市级供电企业和110k V及以下变电站的时间同步方式采用站内GPS卫星同步时钟装置统一的状态, 由站内的GPS装置对每套设备进行对时, 实现每套保护、自动化装置的时间同步。这种分布式部署的GPS装置容易出现的异常问题为GPS装置搜索不到卫星。一旦GPS装置搜索不到卫星就会出现GPS装置时间不准, 将会导致继电保护装置、自动化装置等的时间不准确, 从而引起电力系统运行时间不一致问题。

结合本人多年GPS装置维护经验, GPS装置搜索不到卫星信号问题原因一般分为三大类:1、GPS装置接收天线安装不正确及天线线缆铺设问题;2、周围有其它信号对GPS装置授时天线干扰;3、GPS装置接收机设备问题。并根据问题原因总结出相关解决方案。

1 GPS装置接收天线安装不正确或天线线缆铺设问题处理

GPS装置接收天线是一个很小的有源天线, 它是保证GPS接收机与卫星同步的关键部件, 它架设的正确性将直接关系到GPS装置卫星信号的接收性能。天线安装时必须接收头朝上, 固定在建筑物顶部, 并要求接收头周围可视天空范围开阔, 以确保天线能够收到足够强的卫星信号。在多雷地区, 天线的架设位置应避开容易雷击位置, 同时要采取避雷措施, 防止雷击引起接收头损坏及GPS装置的损坏。

接收天线线缆铺设要按照通讯电缆架设要求分管道铺设, 严防电缆挤压打结。天线电缆长度是根据天线增益严格设计的, 不得剪断、延长、缩短或加装接头等, 否则将严重影响接收效果, 甚至收不到信号。

2 周围有其它信号对GPS装置授时天线信号干扰问题处理

GPS装置授时天线容易受到其它大功率微波及高频天线等通信信号的干扰, 导致GPS装置搜索不到卫星。我们在安装授时天线时应尽量远离或避开大功率微波及高频天线等信号盲区, 减少其通信信号的串扰。可以选择多个位置进行测试卫星信号强度, 寻找信号强度最大的点进行授时天线接收器的安装。

由于通讯产业日益发展的现在, 各类通信站塔如雨后春笋破土而出, 林立在变电站周围。有可能使得原来GPS信号强度优良的位置变为信号接收不良地点。这就需要我们定期巡查GPS装置接收卫星信号情况, 及时调整GPS装置授时天线位置, 使其保持接收信号良好状态。

3 GPS装置接收机设备性能老旧问题处理

GPS装置接收机设备性能老旧问题也会对搜索不到卫星有影响, 如90年代生产的GPS装置接收机的芯片由于年代久远, 通常只能跟踪1~3颗卫星, 在偏远山区安装和运行情况下可能会经常出现GPS装置搜索不到卫星的问题。而最近生产的GPS装置接收机由于芯片技术更新换代, 通常能跟踪12颗或24颗卫星, 即使安装在山区, 也能很好地接收到卫星信号。这就需要我们在工程设计时考虑变电站的地理位置, 配置相应的GPS装置以保证GPS装置接收卫星信号优良。

篇4：卫星电视信号传输、接收与调试

【关键词】基带；转发器；频率；卫星接收机

卫星电视信号是通过广播卫星进行接收和传输的电视信号。本文按照卫星电视信号传输的顺序，即从卫星电视信号的上行发射、星载转发、下行接收以及下行接收室外部分的调试这四个方面展开讨论。

1.卫星电视信号的上行发射

卫星电视信号的上行发射是靠上行发射系统来完成的。上行发射系统的主要设备是上行发射台，上行发射台可以是一座或多座，其中主发射台是卫星广播系统的发射中心，它除了负责向星载转发器发送中央电视台的节目以及全国范围的节目外，同时它还具有遥测、遥控和跟踪功能，可以直接监控卫星的姿态、轨道位置和各种工作状态。

2.卫星电视信号的星载转发

卫星电视信号的星载转发是通过卫星上的星载转发器来实现的，星载转发器是卫星的有效载荷，它接收、放大和发射输入信号，使上行发射台的广播电视信号，通过卫星远距离中继后定向送到地面时具有足够的强度。为了避免转发器的发射信号干扰自身接收信道，其接收频率与发射频率必须错开。主要的有如下两种：其一是非再生式转发器；其二是再生式转发器。

3.卫星电视信号的下行接收

卫星电视信号的接收，则是通过一系列卫星电视接收设备和器件去完成接收和处理卫星电视信号，并将卫星电视信号高质量地传输到用户。卫星电视信号的接收可分为两个部分：即室外部分与室内部分。室外部分主要是指卫星接收天线、馈源、极化器和高频头等；室内部分则主要是指功分器和卫星接收机等。

3.1 卫星电视接收的室外部分

卫星电视接收的室外部分主要包括卫星接收天线、馈源、极化变换器和高频头。

卫星广播电视系统的天线，是实现以自由空间为传播媒介的接收电磁波能量的设备。

馈源是高增益聚焦天线的初级辐射器。它的作用是把抛物面天线聚焦在焦点上的电磁波能量以最低的损耗传输到低噪声放大器。

极化器主要由矩形波导和探针（或金属耦合环）组成，起极化变换的作用。但由于卫星转发器发射下来的电磁波的极化方式，受地面接收站的地理位置、空中卫星姿态和地磁等因素的影响，有时会稍微偏离原极化方向。因此在安装和调整时要注意这一点，以求达到极化最佳匹配的目的。

高频头又称为低噪声下变频器，常用LNB表示，它能同时对卫星电视在某个频段内的所有频道信号进行低噪声放大和下变频。低噪声放大要用波导作输入传输线，这就要有波导与微带过渡段，选择波导中探针的长度和直径，可保证波导与微带线之间达到最佳的匹配。下变频是在混频电路中完成的，它由高频头输入频率与高频头本振频率（如C频段5150MHz）混频后输出一中频信号频率（如C频段的频率范围为950MHz～2050MHz），并通过阻抗为75Ω的同轴电缆传送到卫星接收机的输入端，供卫星接收机接收。

3.2 卫星电视接收的室内部分

卫星电视接收的室内部分主要包括功分器和卫星接收机。

功分器是功率分配器的简称，它是将信号功率分成相等或不相等的几路信号功率输出的一种多端口的微波网络。在卫星电视接收系统中，多频道同时接收就要使用功分器。

卫星接收机是工作于微波波段的宽带调频接收设备。主要功能是把卫星电视信号还原成基带电视信号。卫星接收机的种类，一般可分为模拟卫星接收机和数字卫星接收机。这里主要介绍数字卫星接收机。数字卫星接收机，又称综合接收解码器（IRD）。根据所要收视的节目的标识号（PID）提取相应的视频、音频和数据包，恢复出符合MPEG-2标准的打包的节目基本流（PES）。然后由MPEG-2解码器解压缩，最后送到视/音频解码器按一定电视制式生成模拟电视信号，供电视机接收。

4.卫星电视信号下行接收的调试

卫星电视信号下行接收的调试，主要是指卫星电视室外部分的调试与室内部分调试。卫星电视室内部分的调试实际上是指卫星接收机的调试，对于卫星接收机的调试，只要按照广播电视部门提供的技术参数进行设置就可以了，相对室外调试很简单，这里不赘述。

4.1 卫星接收天线焦距的调试

卫星接收天线的焦距是指抛物面天线中心顶点与平行电磁波信号反射汇聚的焦点之间的距离。对于前馈式卫星接收天线，是由紧固在抛物面天线与波纹槽馈源上的三根支撑杆来确定焦距的。

4.2 卫星接收天线极化方式的调试

卫星接收天线极化方式的调试，实质上是使接收天线的极化方式同卫星发射信号时采用的极化方式相一致。因我国卫星地面接收站接收的是线极化波，所以这里仅讨论线极化方式的调试。线极化方式又分为水平极化（H）和垂直极化（V）。为方便操作和便于记忆，这里以矩形波导口窄边与地平面的关系来调整极化方式。水平极化（H）是馈源矩形波导口窄边与地平面平行时的极化；垂直极化（V）是馈源矩形波导口窄边与地平面垂直时的极化。但是，实际调整极化方式时，还要考虑极化角（$A）的问题，这是由于受地面卫星接收天线所在地理位置与卫星经度差加大以及地球曲率的影响。

4.3 卫星接收天线仰角与方位角的调试

在地面上用抛物面天线对准同步卫星，并非是一件很容易的事情。要想快捷、准确地对准卫星星体，必须首先计算出卫星接收天线的仰角与方位角。仰角是指天线抛物面轴线与地平面之间的夹角；方位角则是天线抛物面轴线与正北极之间的夹角。

其次，用指南针来确定基准方位，并在计算出的方位角的附近寻找所要接收的卫星。可以通过观看接收信号电平来找准方位。最后，连接上卫星接收机及监视器（或电视机）来观看卫星电视节目画面质量，做到一边微调仰角和方位角，一边监视电视画面效果，直至画面清晰、声音悦耳的为止。

5.结束语

本文所介绍的卫星电视信号的上行发射、星载转发和下行接收的传输过程，以及卫星电视信号下行接收天线焦距、极化角、方位角和仰角的计算公式与调试方法，既帮助了广播电视一般工作人员对卫星电视信号传输的理解，又方便了广播电视工程技术人员对相关参数的计算与找准卫星的调试。

参考文献

[1]韩广兴，胡宝琳.黑白电视、卫星电视、有线电视维修技术精选[M].北京：电子工业出版社，2000.

[2]李育林.浅谈卫星广播电视接收系统的接收天线[J].中国有线电视，2002，（14：70-72.

篇5：卫星干扰信号识别与测量系统设计

关键词：LabVIEW,干扰信号识别,自动测量

无线电频谱是一种有限的自然资源, 各国无线电系统的发展, 使导航频段内存在大量交互调与泄露信号, 同时由于卫星链路信号的脆弱性, 使得卫星应用系统极易受到干扰, 这些干扰同样会影响卫星应用系统地面站对卫星信号的捕获、跟踪与采集, 使信号接收机能力降低或失去跟踪能力。通过对卫星应用系统工作频段内干扰信号进行监测、分析, 以及对干扰信号的功率、频率、带宽等参数进行准确测量, 将有助于快速定位干扰源并采取正确的应对措施。为达到该目的, 本文提出了一种基于LabVIEW软件的卫星干扰信号识别与检测系统方案设计及其实现。

1 卫星干扰信号识别与测量系统工作原理

系统设备连接如图1所示。在卫星地面应用系统的信号接收天线后引出一路信号输出给频谱仪, 频谱仪通过GPIB总线与前端工控机相连接;工控机通过相应的频谱仪控制与数据采集程序, 设置频谱仪的中心频率、带宽、参考电平等, 并采集频谱仪测量的数据, 实时显示频谱曲线, 判定识别干扰信号, 并对干扰信号进行测量。工控机通过网络与远程监控计算机相连, 在前端工控机上编写数据传输程序, 通过网络将频谱等数据发送给远程监控计算机;远程监控计算机通过数据接收程序和频谱显示程序, 接收前端工控机传送的频谱数据, 干扰信号测量数据, 并恢复出频谱曲线, 同时记录干扰数据, 并且可远程控制频谱仪参数设置。

2 系统硬件组成

卫星频谱监测系统包括接收天线、低噪声场放、射频分路器、频谱仪、工控机、GPIB采集卡、远程监控计算机等。其中接收天线、低噪声场放、射频分路器使用卫星系统现有设备。在天线机房加装一个机柜用于安装频谱仪和工控机, 远程监控计算机可放于卫星系统总监控机房。

频谱仪输入端直接用电缆连接射频分路器, 接收入站信号, GPIB接口通过数据线直接与工控机连接, 以实现数据传输和仪器控制, 实时显示入站信号的中心频率、峰值功率等数值, 软件自动每隔指定时间读取频谱仪数据, 并且要求长时间不间断运行。

3 系统软件设计

(1) 软件总体结构

系统软件分为本地控制测量程序、网络发送与接收程序、频谱显示及数据存储程序、仪器远程控制程序四部分。发射机房工控机上的本地频谱仪控制程序主要完成频谱仪参数设置、干扰信号识别, 干扰信号数据测量以及接收远程监控计算机控制指令, 对频谱仪参数进行调整等工作;网络发送与接收程序完成工控机测量数据发送和干扰源定位计算机的接收;远程监控计算机上的频谱显示及数据存储程序完成干扰信号频谱的显示以及数据存盘。

(2) 本地控制测量程序

本地控制程序首先通过地址检测识别频谱仪并进行初始化, 接着逐步进行中心频率、扫描带宽、参考电平及峰值点搜索等设置, 然后读取频谱仪频谱数据、峰值点频率、峰值点功率等数据。干扰信号的判定识别采用峰值信号功率与第二峰值信号功率差值的门限判定方法, 大于门限值则视为干扰信号。为提升测量精度, 当识别干扰信号后, 将扫描带宽调整为1KHz, 分析带宽调整为1Hz;为避免扫描大调整过快丢失干扰信号, 采取逐级调整的方式。最后将测量的干扰信号功率值等数据打包成固定结构通过网络发送程序送给总监测计算机, 实现干扰信号的自动识别及测量。

实现仪器的自动测量需测量程序逐条向频谱仪发控制指令, 在程序调试过程中发现, 频谱仪存在响应不及、死机等问题, 为确保频谱仪能够正常执行每条指令, 在两个指令中间加入了等待时间, 以使指令充分执行。等待时间要大于频谱仪扫描时间, 根据实际的扫描带宽、分析带宽和显示带宽等可得当前频谱仪扫描时间为0.6秒, 所以每条指令的等待时间必须大于0.6秒。经过反复调试, 在地址识别与中心频率设置指令间、中心频率设置与扫描带宽设置指令间、扫描带宽设置与参考电平设置指令间、在参考电平设置与峰值点搜索指令后均增加0.8秒等待时间。

(3) 网络发送与接收程序

工控机上的本地控制软件通过网络与远程监控计算机相连, 工控机端负责数据的发送, 远程监控计算机端负责数据的接收, 工控机有发送程序。远程监控计算机通过接收程序完成对工控机发送数据的接收。工控机将频谱数组变量、峰值频率变量、峰值电平变量、干扰信号功率变量进行打包, 在工控机上编写DataSocKet.Write发送程序以及DataSocket.Server数据传输协议程序, 通过指DataSocket.Server数据传输协议程序, 指定网络端口 (Port) 建立连接, DataSocket.Write将这些参数送至DataSocket.Server进行广播。远程监控计算机上的DataSocket.Read接收程序访问工控机的DataSocket.Server服务器地址, 接收DataSocket.Server服务器上的数据包, 通过DataSocket.Read将其分别解包并写入相应变量。

(4) 频谱显示及数据存储程序

远程监控计算机收到网络数据后, 分别提取频谱数组变量、峰值频率变量、峰值功率变量, 在监控窗口中恢复频谱数据, 并画出频谱图像, 计算频谱平均功率值。同时, 远程监控计算机存盘记录干扰信号的功率值、频率、出现时间等重要数据, 并可根据需要可进行干扰频谱复现或频谱打印。

(5) 仪器远程控制程序

卫星干扰信号识别与测量系统利用频谱仪实时测量频谱, 设备安装在接收天线机房, 通过机房中的工控机进行频谱仪的参数设置与参数采集。远程监控计算机安装在总监控机房, 主要用来频谱恢复和干扰报警。但在使用过程中有时需要重新对频谱仪的参数进行设置, 这需要专门去发射机房在工控机上完成, 使用很不方便, 实时性也较差。根据这一情况, 开发了仪器远程控制程序, 在远程监控计算机上实现了频谱仪的参数设置, 并可根据需要监测频谱情况。利用Remote Panels (远程登录程序面板) 技术, 通过TCP/IP网络通信协议, 根据工控机地址、端口和控制程序名, 远程登录本地测量程序, 实现频谱仪的远程控制。

结论

篇6：卫星定位信号接收机系统研究与设计

在基于脉冲超宽带信号的室内定位系统中,传统的接收机采用相干检测的手段来进行TOA估计进而实现定位,它要求接收端生成与接收信号相匹配的脉冲波形,然后通过相关技术进行TOA估计,这样必然会提高接收机结构的复杂度和系统的实现成本。近年来,IEEE802.15.4a工作组提出了基于无线传感器个人域网络的低速率、低复杂度的物理层标准,并要求未来的系统要具有精确定位能力和低速小范围的通信能力[1]。从系统实现的低成本和低复杂度角度出发,非相干能量检测TOA估计方案的接收机成为研究热点[2,3]。

一般来说,非相干能量检测接收机的鲁棒性较差,只有在高信噪比的情况下才能获得比较精确的TOA估计,所以对IR-UWB定位系统来说,准确地提取脉冲的前沿信息是接收机设计的一个关键。基于此,在满足定位要求的前提下,引入了数字锁相环结构的系统,成功构造了一种新型脉冲信号接收机。测试表明,该系统可以在6m×6m的空间内实现误差在60cm内的定位,同时在很大程度上降低了系统实现的复杂度和设计成本,相对简单的电路设计也有利于系统集成和低功耗的实现。

1 系统构成

一个超宽带定位系统的构成和定位方法示意图如图1所示。系统包含4个基站NO.1、NO.2、NO.3、NO.4,分别位于4个固定的位置,与处理机采用有线连接,NO.1是主机站。待定位的标签在6m×6m的定位区域内,它是可以移动的。当处理机要对标签进行定位时,打开接收机和发射机,发射机发射固定周期UWB脉冲信号,分布在4个固定位置的接收机通过天线接收到UWB信号,先进行检测处理,然后通过有线传输送给处理机,处理机通过算法实现对标签的定位功能。

系统基站的定位接收机组成如图2所示。接收机由天线、低噪声放大器(LNA)、带通滤波器(BPF)、平方积分器、数字锁相环(DPLL)等5部分组成,与传统的能量检测接收机不同,本接收机系统设计中引入了数字锁相环。由于锁相环相当于一个窄带滤波器,具有很强的抗噪性能,从而在不增加信号发射功率的条件下,在一定程度上可以有效提高接收机系统的鲁棒性,同时也能有效降低漏检和虚警的概率。

2 接收机的设计和分析

本文设计的接收机是一种基于非相关能量检测技术的接收机,数字锁相环的引入是

本系统的特色,其他的部分如LNA、BPF、平方积分器等都是采用传统方式进行设计,故本节主要介绍数字锁相环部分的设计。

锁相环的输入为重复频率10 MHz,脉宽2ns的脉冲信号。在本定位系统中,定位服务器对接收机输出信号进行时间信息的提取来得到TDOA信息,所以锁相环输出抖动直接影响着定位精度,使得对输出相位抖动要求比较严格。而相对来说,系统对锁相环的捕获带和锁定时间要求较松,设计指标为:相位抖动≤1 ns;捕获带≥1 Mrad/s;锁定时间≤1 s。

2.1 数字锁相环原理

接收机结构中数字锁相环的结构如图3所示。此数字锁相环为电荷泵式的锁相环,由R分频器、PFD、CP、LF、VCO和N分频器等6部分构成。

图3可以看出,这种电荷泵式结构数字型锁相环与传统的锁相环有比较大的差别,它由鉴频鉴相器(PFD)、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器(VCO)和可编程分频器组成。鉴频鉴相器可以有效扩张环路的捕获范围,因为是一个既能检测相位差又能检测频率差的电路,当环路起始频差很大时,PFD首先工作在鉴频状态,其输出的误差电压把压控振荡器的频率向锁定的方向牵引;当频率减小到进入环路的快捕带式,PFD就进入鉴相状态,从而使环路最终达到锁定状态[1]。

参考文献[4]中指出,分频可以去除杂波和多次谐波,所以该电荷泵式锁相环在对噪声的抑制方面比传统锁相环更有优势,这也是本定位系统采用电荷泵式结构锁相环的一个很重要的原因。

2.2 环路滤波器的设计和分析

任何锁相环系统,无论是LPLL系统,还是DPLL系统和ADPLL系统,环路滤波器的设计都是其中很重要的一个组成部分。其中,决定锁相环的稳态跟踪相差的不是环路开环传递函数的总极点数,而是取决于在原点处的极点个数[5]。锁相环阶次的增加将使环路滤波器的相移增加,所以高阶次的锁相环路容易变得不稳定[4]。但是另一方面,如果环路滤波器不能充分衰减鉴相器产生的位于基准频率的交流成分和谐波分量,寄生边带将严重影响锁相环的工作,甚至造成锁相环无法对输入鉴相器信号完成锁定功能,所以为了减少基准频率的馈通,必须使用高阶环路滤波器。

考虑到锁相环稳态跟踪相差和环路对基准频率馈通的抑制能力这一对矛盾,在本设计中,对这两个问题进行了折中处理。采用的三阶环路滤波器构成了一个四阶二型锁相环,如图4所示,该环路设计可以满足定位的要求。

环路滤波器的传递函数是:

式中,k0=C2·R2;k1=C1·C2·C3·R2·R3;k2=C2·C3·R2+C1·C2·R2+C1·C3·R3+C2·C3·R3;k3=C1+C2+C3。

根据参考文献[4]给出的三阶环路滤波器参数计算方法,取相位裕度Φ=48°时有最佳相位噪声性能,本设计中取带宽为100 kHz,计算出各元件数值如表1所示。

根据上述设计结果,采用AD公司的环路滤波器设计软件ADIsimPLL3.1,在鉴相频率为1 MHz,VCO振荡频率为160 MHz的条件下对该三阶环路滤波器进行仿真,仿真结果如图5所示。

从图5(a)中系统的开环响应波特图可以看出,幅度增益在0dB时,相位在-135°附近,有45°的相位裕量;相位在-180°时,幅度增益为-20dB,由此可见该锁相环路是稳定的。图5(b)是锁相环闭环幅度和相位响应曲线,幅度的3 dB带宽为100 kHz,对应的相位为-45°,满足设计要求,图5(c)、图5(d)从相位噪声和寄生边带的角度论证了设计的可行性。

由参考文献[4]可以得到,数字锁相环的锁定时间为:

环路等效输入相位噪声方差为,单边功率谱密度为,则通过环路滤波器后的输出相位噪声的单边功率谱密度为(0≤f≤Bi/2),则环路输出的相位噪声方差为[5]:

上式中环路带宽,Bi是超宽带信号带宽,由于对于超宽带信号来说,Bi>>BL,由此可见,锁相环对输入相位噪声有很强的抑制作用,有效地提高了接收机对脉冲信号的准确检测能力。

图6是利用示波器对锁相环输出抖动的测量,测量显示,所设计的锁相环输出抖动可以达到500 ps,达到了所设计指标,这样就可以控制锁相环本身所产生的定位误差足够小。

3 系统实现

为了便于观测,利用Agilent54846A宽带数字示波器对其中三路接收信号进行观测,系统结构如图1所示,其中发射天线和接收天线都采用PCB平面偶极子宽带天线,基站和示波器、基站和定位服务器之间通过同样阻抗的电缆连接。发射端发射的是重复频率为10MHz、脉宽为2 ns的窄脉冲。

在LOS信号存在的室内环境中,实测波形如图7所示,为了便于观察三路信号的同步状态,从发射端用电缆送过来一路信号作为参考信号。图7中示出了发射脉冲信号及三种颜色的信号代表接收机的输出信号。

该系统是基于室内定位技术低成本、低功耗、低复杂度的要求而设计的,在实现定位功能的前提下,基于能量的非相关检测技术使接收机前端电路简单,TDOA定位方式又避开了各个基站时钟同步的难点,这两个技术的应用都有效地降低了系统实现的复杂度。实测表明,采用了电荷泵式数字锁相环的超宽带定位接收机系统具有较强的鲁棒性,输出的相位抖动在2 ns以内,基本满足室内定位的要求,对今后IR-UWB中长距离定位系统的实现具有一定的参考意义。

摘要：在分析了以往的脉冲超宽带(IR-UWB)室内定位系统接收检测技术的基础上,提出利用数字锁相环接收机来准确估计UWB脉冲信号到达时间(TOA),完成室内环境精确测距和定位功能。通过仿真和测试论证了方案的可行性,最后在6m×6m室内空间中实现了系统对标签的定位功能,输出抖动在2ns以内,获得了良好的效果。

关键词：脉冲超宽带,数字锁相环接收机,定位,到达时间

参考文献

[1]UGUR C.Charge-pumping-loop concept for static MOS/ RAM cells[J].IEEE Journal of Solid-State Circuit, 1978,14(3):599-603.

[2]MOLISCH A F.Status of models for UWB propagation channel[R].Channel Model Subcommittee,IEEE 802.15.4a Channel Model(FinalReport)[EB/OL]. http://www.ieee802.org/15/pub/TG4a.html,Aug. 2004.

[3]ISHIYAMA Y,OHTSUKI Y.Performance comparison of IR-UWB using RAKE receivers in UWB charnelmodels [C].Joint UWBST & IWI-JWBS,2004.5: 341-345.

[4]Roland E Best,著.锁相环设计、仿真与应用[M].李永明,等译.北京:清华大学出版社,2007.