基于ISL5416的GPS／BD-2接收机DDC设计与实现

全球卫星导航具有政治、经济、军事等多方面的重要意义，世界各大国和国家集团都在竞相发展全球定位卫星系统。目前4大卫星导航系统(GPS，Galileo，GLONASS以及中国的BD-2)并存的格局日渐端倪，多个导航卫星星座的建立使多星座兼容操作成为可能。对多星座兼容接收机而言，同一时刻可视卫星的数量增加，一方面使系统的可用性得到了提高，另一方面使卫星的选择范围扩大，有利于我们采用选星策略去选择位置更好的卫星，提高定位精度等。GPS是目前世界上最成熟的卫星导航系统，BD-2是我国自主研发的新一代卫星导航系统。目前，对G-PS／BD-2兼容接收机的研究还处于起步阶段。针对GPS和BD-2开展研究，对于我国国家经济安全和国防安全意义重大。
随着GPS抗干扰技术的发展，为了实现数字波束形成，在此基础上,加上某种自适应抗干扰算法，现代的GPS接收机一般都采用阵列天线，要求有多个天线接收通道。因此多通道多载波的DDC设计是实现GPS／SD-2接收机的重要基础，也是设计实现中的难点，随着DDC通道数增加硬件资源开销增大，增加了硬件设计的困难。这里采用专用数字下变频器件ISL5416，结合实际工程需求完成了16阵元GPS／BD-2接收机的DDC设计。

1 系统整体结构设计
1．1 整体结构
该系统设计有16个天线阵元。接收的信号有GPS的L1波段，信号频带为(1575.42±1.023)MHz，BD-2的B1波段，信号频带为(1561.098± 2.046)MHz。
接收机总体框图如图1所示。16个天线分别对应16个射频通道，射频通道只是信号通路，信号经过射频通道没有发生性质变化，只是信号频谱从射频搬移到中频。接收机对北斗和GPS信号的接收共用一个射频通道，并且这一射频通道在结构上也更加简化。ADC输出的数字信号仍然属于多载波的中频信号，需通过2个DDC通道作下变频处理从而分别得到GPS和BD-2信号的数字基带信号。因此，最终实现16个阵元的信号接收需要32个DDC通道，ISL5416是4通道DDC，8片ISL5416组合的结构能够实现系统要求。

1．2 工作原理
软件无线电中，信号的解调是在基带上完成的，因此基于低通或带通采样得到的数字中频信号都需要通过数字正交变频技术转换为数字基带信号。数字下变频器是将实数的数字中频信号转换为复数的数字基带信号，其正交性由数控振荡器(NCO)输出的正交本振来保证。经下变频的数字基带信号一般都有比较严重的过采样状态，因此在下变频中要进行抽取处理，降低数据率，减轻后续处理的负担。数字下变频框图如图2所示。

2 设计实现
2．1 器件选型
目前数字下变频器主流实现方案有2种：FPGA方案和ASIC芯片方案。
1)FPGA擅长并行运算和流水线处理，能够满足DDC对高速处理需求，另外，由于FPGA设计的灵活性，使DDC模块能根据具体系统的需求量身定制，实现资源和性能的优化，特别适合一些需要高带宽或特殊采样率的场合。其缺点是参数调整的灵活性差难以实现可变带宽，程序的效率和可靠性难以保证，开发调试难度大，另外占用FPGA资源较多。
2)由于DDC在无线电系统中应用广泛，DDC专用芯片(ASIC)的性能经过严格验证，其可靠性和稳定性相对FPGA程序要高很多，用户可灵活配置其内部参数以实现不同指标。但ASIC的结构固定，处理性能有一定局限。目前常见的DDC专用芯片有Intersil公司的单通道DDC HSP5001 6，HSP50214．4通道的DDC HSP50216，ISL5416；ADI公司的集成ADC和4／6个DDC通道的AD6654。
综合考虑该系统设计要求DDC通道数较多，并要求将宽带数字中频信号中不同载频和带宽的信号分离到中频，因此这里采用ISL5416型DDC。ISL5416是4通道大动态范围宽带可编程DDC，每个通道有独立的NCO、混频器、数字滤波器、AGC和重采样滤波器，每个通道都可以独立编程并且实时更新，能够通过将各个通道级联或者多相滤波以增加处理带宽，其功能框图如图3所示。

2．2 DDC电路及参数设计
本设计系统，信号经射频通道下变频到中频后，信号频带分别为GPS：(67．42±1．023)MHz，BD-2：(53．098±2．046)MHz。ADC采样率为80 MHz，对信号进行带通采样，根据带通采样原理可设DDC的NCO频率分别为12．58和26902 MHz。最大信号带宽为4 MHz，所以可将下变频信号进行16倍抽取，最后得到I、Q基带信号以5 MHz的数据率输出，DDC芯片ISL5416系统时钟也设计为80 MHz，ISL5416有4个独立的下变频通道，分别取2个作为GPS和BD-2下变频通道。ISL5416有4组信号输入接口，但内部交叉开关可以灵活配置输入连接，所以为了方便硬件电路设计，只选用两组接口分别接到2个ADC芯片的输出，再通过芯片交叉开关配置将信号连接分配到4个DDC通道输入信号接口。同时，ISL5416输入接口为17位，为了连接14位ADC芯片AD6645的输出，在硬件设计上，将ISL5416输入口的低3位接地，高14位接ADC输入。ISL5416关键部分电路原理图如图4所示。