一种抗干扰GPS智能天线系统的设计

1 引言

近年来，在导航、制导、精密测量、精密授时方面，GPS得到了非常广泛的应用。但大多数情况下，接收机依赖于卫星发射的射频信号来工作，GPS接收信号功率低，因此易受射频干扰的影响，这些射频干扰可能是宽带的、窄带的、无意的或有意的。很多学者针对该问题进行研究，提出许多方法，其中智能天线技术具有较强的抗干扰能力，已成为新一代GPS抗干扰发展方向之一。本文在已有的GPS接收机基础上，以改善接收机接收有用信号信噪比、提高抗干扰性能为主要目标，提出一种基于智能天线技术的GPS抗干扰系统，并进行硬件实现。

2 智能天线原理

智能天线的基本原理是依据接收准则自动的调节天线阵元的幅度和相位加权，以达到最好的接收效果。图1是智能天线系统框图，信号s(t)经天线接收，然后与权矢量w相乘，以调整各通道接收信号的相位和幅度，最后对加权信号后的信号求和，得到阵列输出y(t)，其中信号s(t)和权矢量w是复数。

图1 智能天线系统原理

智能天线阵元排列方式有多种，主要有线阵、方阵、圆阵等。本系统采用了圆阵。圆阵是指M个相同的全向阵元在半径为R的圆周上等间隔排列的天线阵，如图2所示。

图2 圆形天线阵示意图

阵列的第ｍ个阵元与第0个阵元的角度为．设信号入射和第0个阵元的夹角为，如果以圆心作为相位参考基准，则在某时刻圆心和第ｍ个阵元接收到的信号的复包络之间的相位差为

（1）

则来自的信号响应可写成：

（2）

其中为包含波达方向角信息的权值分量，且，为使最大则有

（3）

可通过调整复权值ｗ的相位以满足该条件，从而形成相应方向的波束。这种圆形波束形成天线可以在范围形成任意方向的波束，这是线阵无法是实现的，所以本系统采用了圆阵天线。

3 系统设计分析

本系统开发时在自行设计的天线阵、射频前端、上变频器以及已有的GPS接收机基础上，根据软件无线电的思想，重点设计了高速AD采集部分，多波束形成器，以及数字上变频器部分，在前端将中频信号数字化，之后经数字下变频至基带，在基带对信号完成数字波束赋形和幅相加权，然后对基带数据进行数字正交调制，最后数字上变频至中频信号转成模拟信号，输出到混频器接GPS接收机。本节从以下几个方面分别介绍：

3.1 高速AD采集设计

对于一个采集系统而言，首先根据输入中频决定采用过采样（over-converter）还是欠采样（under- converter）。所谓过采样，指依据奈奎斯特（Nyquist）定理，输入信号x(t)的频带在（0,f_H）内，只要采样速率f_S 2f_H，那么就能从采样信号中恢复原信号x(t)。所谓欠采样技术就是对于带通信号（频率范围：f_L<f<f_H）而言，抽样频率只要满足：

2f_H/K≤f_S≤(2f_H)/(K-1)

其中K为整数，2≤K≤f_H/(f_H-f_L)且f_H-f_L≤f_L，此时信号频谱不会发生混叠。这对于减小运算量很有好处。

根据理论上的ADC的信噪比SNR计算公式：SNR=6.02N+1.7dB+10log10(f_S/2f_B)可知：抽样速率每增加一倍，信噪比大约可提高3dB。因此，采样速率应尽量高一些。结合本系统的中频频率为70MHz，信号带宽2MHz，我们采用了AD公司的AD9248，采样频率为40MHz，对于中频载波是欠采样，对于信号是过采样。

AD9248是ADI公司推出的14位双通道数模转换芯片，速度可达65MSPS，每通道功耗仅300 mW，内置两个采样保持放大器和一个基准源，采用一个多级的带有输出错误纠正逻辑的差分流水线结构，从而提供14位高精度的量化输出，其奈奎斯特频率的信噪比（SNR）高达71.6dBc。该芯片将高速率、高分辨率和小封装的独特结合，与单通道AD相比，能够节省多达40%的印制电路板（PCB）面积，因此非常适合本系统高速多通道ADC的应用。

3.2 数字下变频及基带数据与权值的复乘

中频信号经AD数字化后，需将中频信号搬移至基带得到I、Q数据，然后进行抽取，滤波完成信号提取。因此，数字下变频器由本地振荡器(NCO)、混频器、抽取滤波器和低通滤波器组成，如图3所示。

图3 数字下变频器

在本系统中这些功能由第一级的两片FPGA（超大规模可编程逻辑电路）来完成，每片FPGA控制AD采集四路数据，然后与70MHz数字混频，经数字低通滤波一路作为第二级FPGA的输入，另一路10倍抽取后送入存储单元，作为DSP形成权值样本。

由于下变频得到的基带数据为复数，而权值也是复数，所以基带数据与权值的相乘为复乘。复乘实际上由4个实数乘和2个复数加组成。根据系统设计要求，系统有8路数据，数据时钟为40MHz，在这