Лекция №2. Элементная база НАП (2017)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана(национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана)Аппаратура потребителейспутниковых радионавигационных системЛекция №2«Элементная база НАП»ст. преп. кафедры РЛ1Мыкольников Я.В.1Кафедра «Радиоэлектронные системы и устройства»МГТУ им. Н.Э.

БауманаВведение. Особенности НАПНавигационная АП предназначается для приема сигналов от НКА,измерения навигационных параметров, выделения навигационногосообщения (служебной информации, включающей эфемериды ивременные поправки) и решения задачи НВО.2Введение. Особенности построения радиотракта НАПВ составе НАП следует выделять следующие субблоки (тракты):- Радиочастотный субблок (тракт);- Цифровой субблок (субблок цифровой обработки).-В свою очередь в состав радиочастотного тракта входят:малошумящий усилитель (МШУ);усилитель высокой частоты (УВЧ);полосовой фильтр (ПФ);преобразователь частоты (смеситель);гетеродин;опорный генератор (ОГ);усилитель промежуточной частоты (УПЧ);аналого-цифровой преобразователь (АЦП).-В составе субблока цифровой обработки следует выделить:процессор (БИС) корреляционной обработки;навигационный процессор;ОЗУ/ПЗУ;часы реального времени.2Введение. Особенности построения НАП1. Радиочастотный блок, обеспечивает:• прием сигналов НКА;• их усиление и предварительную фильтрацию;• аналого-цифровое преобразование сигналов на выходе приемника;• формирование опорных, синхронизирующих и других сигналов.2.

Процессор первичной обработки, решает следующие основные задачи:• оптимальную (согласованную) фильтрацию сигналов НКА, реализуемую, какправило, с помощью многоканальной корреляционной обработки;• поиск и обнаружение сигналов НКА;• слежение за сигналами и измерение их РНП;• демодуляцию навигационного сообщения.3. Навигационный процессор, обеспечивает:•декодирование навигационного сообщения;•решение основной навигационно-временной задачи — определениепараметров ВС потребителя;•управление режимами работы и параметрами как собственными, так идругих узлов АП;•контроль качества НВО и работоспособности аппаратуры;•выполнение различных сервисных функций, зависящих от назначенияаппаратуры и режима ее работы.4Введение. Особенности построения радиотракта НАПСовременная навигационная аппаратура потребителей (НАП)является аналого-цифровой системой, сочетающей аналоговую ицифровую обработку сигналов.В общем случае НАП состоит из навигационных приемников иустройств обработки, предназначенных для приема навигационныхсигналов от навигационных космических аппаратов (НКА) и вычислениясобственных координат, скорости и времени.

Обобщенная структуравходного тракта с прямым преобразованием частоты представлена нарисунке.3Обобщенная структура входного тракта с прямым преобразованием частотыВведение. Особенности построения радиотракта НАПАнтенна выполняет функцию преобразования электромагнитныхволн в электрический сигнал и может состоять из одного или несколькихантенных элементов с необходимыми блоками электронного управления.Полосовой фильтр (ПФ) нужен для частотной селекции(фильтрации) полезных сигналов из смеси с шумами и помехами.Малошумящий усилитель (МШУ) предназначен для усиления оченьслабых сигналов, поступающих на вход тракта от НКА.Смеситель (СМ) понижает несущую частоту принятых сигналов дозаданного значения, которое принято называть промежуточной частотой.Частота гетеродина (fгет) поступает на смеситель от синтезатора частот,который формирует набор гармонических колебаний, необходимых дляработы приемника.Фильтр нижних частот (ФНЧ), стоящий после смесителя,предназначен для подавления сигнальных составляющих суммарнойчастоты, образующихся на выходе смесителя.Далее сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь(АЦП) для оцифровки сигнала и последующей его обработки в цифровомвычислителе.4Вариант реализации входного тракта для портативныхустройств55Вариант реализации входного тракта для портативныхустройствНавигационные сигналы, принимаемые антеннами от спутниковыхсистем, поступают на высокочастотный ключ.

Ключ осуществляет коммутациюмежду антеннами и приемным устройством. В автоматическом режиме и приналичии обоих антенн радиочастотный блок отдает преимущество внешнейантенне. По желанию пользователя тип используемой антенны может бытьвыбран через соответствующее меню навигационного устройства.После ключа сигнал попадает на делитель, основная задача которого сминимальными потерями разделить принимаемый сигнал пополам длядальнейшей независимой обработки навигационных данных от глобальныхспутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. С делителя сигналпоступает на полосовые фильтры, каждый из которых имеет полосу пропусканиядля выделения только сигнала GPS или ГЛОНАСС.

Для компенсации потерь,внесенных полосовыми фильтрами, навигационный сигнал поступает насоответствующие системам позиционирования малошумящие усилители.Для большего ослабления внеполосных помех, после МШУ, сигналповторно фильтруется ПФ и усиливается на втором каскаде МШУ.55Вариант реализации входного тракта для портативныхустройствСо второго каскада сигнал каждой системы – GPS и ГЛОНАСС соответственнопоступает на универсальный навигационный приемник, который выполняет однократныйперенос несущей на промежуточную частоту в виде квадратур I и Q, ограничивает полосуперенесенного сигнала и подавляет зеркальную частоту встроенным ФНЧ.

Результирующаяполоса сигнала после преобразования усиливается регулируемыми усилителями иоцифровывается. Цифровой сигнал поступает на разъемы, используемые для подключенияцифрового вычислителя для дальнейшей обработки – выделения навигационного сообщенияс целью определения пространственных координат, составляющих вектора скоростидвижения, поправки показаний часов потребителя и скорости изменения этой поправки.Вся схема, за исключением внешней антенны, питается от одного малошумящеголинейного стабилизатора напряжения. С целью обеспечить достаточный уровень тока,потребляемогоразличнымивнешнимиантеннами,применендополнительныймалошумящий линейный стабилизатор.Рассмотренная схема обладает следующими достоинствами:– минимальный уровень энергопотребления;– независимая обработка сигналов от двух глобальных спутниковых навигационныхсистем.К недостаткам схемы можно отнести применение универсального однокристальногонавигационного приемника, так как наличие таких встроенных блоков, как АЦП игенератора, управляемого напряжением (ГУН), загрубляют параметры принимаемогосигнала.

Данная схема ориентирована на применение в портативных устройствахнавигации и способна работать как с встроенной в корпус антенной, так и дополнительноподключаемой внешней.66Вариант исполнения входного тракта для бортовых устройств66Вариант исполнения входного тракта для бортовых устройств77Вариант исполнения входного тракта для бортовых устройствС антенны сигнал подается на МШУ, фильтруется в ПФ с полосой, пропускающейсигналы от двух глобальных навигационных систем ГЛОНАСС, GPS, подвергаетсяповторному усилению и поступает на вход квадратурного демодулятора.Квадратурный демодулятор предназначен для переноса на промежуточную частотупринятого сигнала в виде квадратур I и Q. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)нужен для регулировки встроенных в квадратурный демодулятор полосовыхнизкочастотных усилителей. Синтезатор выполняет роль гетеродина – генерируетгармоническое колебание, частотой, необходимой для работы демодулятора.Трансформаторы необходимы для получения дифференциального сигнала изоднополярного, который необходим для получения квадратурных составляющих принятогосигнала в смесителе квадратурного демодулятора.Чтобы минимизировать взаимные помехи от функциональных блоков различногоназначения, применяется три малошумящих линейных стабилизатора напряжения, которыеобеспечивают напряжением МШУ, ЦАП, квадратурные демодуляторы и синтезатор.Достоинства схемы:– параллельная работа двух приемных трактов, позволяющая увеличить числоодновременно обрабатываемых каналов;– резервирование, если один канал выйдет из строя, решение навигационной задачибудет возможно посредством оставшегося работоспособного канала.К недостатком можно отнести увеличение номенклатуры элементной базы,связанное с увеличением числа линейных стабилизаторов напряжения, и не всегда нужноерезервирование схемы.Представленный вариант предназначен для приема навигационных сигналовдвумя идентичными пассивными двухсистемными ГЛОНАСС/GPS антеннами.77Вариант исполнения двухдиапазонного входного тракта длябортовых устройств99Вариант реализации входного тракта для бортовыхдвухдиапазонных устройствДанная схема по сути является комбинацией двух предложенныхранее вариантов.

Однако в ней коэффициент усиления полосовыхусилителей для каждого диапазона регулируется отдельными ЦАП, агетеродин формируется собственными синтезаторами. На выходеформируется аналоговый квадратурный сигнал, дальнейшая обработкакоторого происходит в цифровом вычислителе.Модуль позиционируется как универсальное функциональнозаконченное устройство с возможностью работать как от активной, так иот пассивной антенны.

Аттенюатор введен с целью ослабить излишнееусиление при работе от активной антенны.Достоинства схемы:• один антенный вход;• работа в двух частотных диапазонах L1 и L2.Существенным недостатком является схемная реализация надискретной элементной базе. Рассмотренные варианты реализованы наоснове аналоговых микросхем в виде функционально законченныхмодулей на многослойных печатных платах, топология которых создана сучетом требований по электромагнитной совместимости.1010Примеры реализации ВЧ тракта88Примеры реализации ВЧ тракта99Элементная база структурных блоков вариантов приемныхмодулей1010Элементная база структурных блоков вариантов приемныхмодулей1111Малошумящий усилитель. Антенный блокОбычно малошумящий входной усилитель (МШУ) интегрирован вантенный модуль НАП, в котором кроме собственно антенны и МШУвходят устройство защиты входа (УЗВ) и полосовой фильтр (ПФ).

Общиепотери в антенном модуле не превышают 3 дБ.12Схемотехника МШУ• Высокий коэффициент усиления: 17,8 дБ (MAX2687)• Низкий уровень шумов: 0,85дБ (MAX2687)• Интегрированная выходная согласующая цепь 50Ω• Низкий ток потребления: 4,5 мА• Широкий диапазон напряжений питания: от 1,6 В до 3,6 В• Малое количество внешних компонентов: одна катушка индуктивности, дваконденсатора• Экономия места на печатной плате: площадь 0,86 мм x 0,86 мм• WLP корпус с шагом выводов 0,4 мм1313Схемотехника МШУ•Рабочий ток потребления IDD: 48 мА•Коэффициент усиления: 17.4 дБ•Уровень шума: 0.44 дБ•Обратные потери на входе: 15.5 дБ•Выходная интермодуляционная точка пересечения третьего порядка OIP3: 36дБмВт•Входная мощность в точке компрессии 1 дБ: 21 дБмВт14Схемотехника МШУ15Полосовой фильтрПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР НА ПАВ ФП-554 1216B53 МГцНАЗНАЧЕНИЕ :охватывающий фильтр для селекции сигналов во входных трактахприемников совмещенных навигационных систем ГЛОНАСС L3–GPS L2ОСОБЕННОСТИ И ПРЕИМУЩЕСТВА :- малые вносимые потери менее 3,0 дБ;- малые пульсации группового времени запаздывания менее 8,0нсек ;- избирательность более 45-50 дБ в широком диапазоне частот ;- широкий интервал рабочих температур от - 55 ОC до + 85 ОС ;- планарные керамические корпуса SMD 3,0x3,0x1,4 мм для монтажана поверхность.16Полосовой фильтрСпецификацияПараметрыЦентральная частотаВносимые потериПолоса пропускания по уровню -1 дБНеравномерность АЧХ в полосе частотF0  22,5 МГцНеравномерность ГВЗ в полосе частотF0  22,5 МГцКСВ в полосе частот F0  22,5 МГцЗатухание в полосе 10-1100 МГцЗатухание в полосе 1370-2500 МГцСопротивления генератора инагрузкиТемпературный коэффициент частотыЕ д.Обозн.Тип.ФП-554МГцдБМГцF0ILBW1Мин.1215,053,0дБAR-1,00,2нсекGDV-106дБдБSWRUR1UR245352,2-1,24845ОмRS/RL50/5050/5050/50ppm/°CTCF-- 76-68http://www.saw-filters.ru/stati/glonass.htmМакс.1217,05,0-1216,02,857,017Полосовой фильтр18Тракт преобразователя частотыЧтобы не потерять фазу принимаемого сигнала, из него выделяютсинфазную I и квадратурную составляющие.

Представим входной РЧсигнал sRF(t) как комбинацию двух модулированных квадратурныхнесущих с двумя боковыми полосами:sRF (t) = sI (t) + sQ(t) = I(t)cosωRFt – Q(t)sin ωRFt(1)На рисунке А синфазная компонента I(t) и квадратурнаякомпонента Q(t) с боковыми полосами образуют входной сигнал sRF (t).19Тракт преобразователя частотыКомпоненты sI(t) и sQ(t) сдвинуты на 90º. В частотной областифазовый сдвиг -90o соответствует умножению на преобразованиеГилберта:H(jω) = –jsgn(ω) (2)Оно преобразует четно-симметричный спектр в спектр с нечетнойсимметрией и наоборот. Спектры sI(t) и sQ(t) всегда имеют разнуюсимметрию.