Receptor Experimental GNSS L1/L2 para Aplicaciones de Alta ...

Receptor Experimental GNSS L1/L2 para
Aplicaciones de Alta Precisión
Ramón López La Valle, Student Member, IEEE, Javier García, Member, IEEE, Pedro Roncagliolo, Member, IEEE,
y Carlos Murvachik, Senior Member, IEEE
Abstract—In this work we present the design and implementation
of a GNSS receiver that can work with the civil signals of
the L1 and L2 bands of GPS and GLONASS, and the E1 Open
Service signal of Galileo. The developed prototype has two RF
front-ends, one for the L1 band and another for the L2 band. The
signals from each band are amplified and then down-converted
to an intermediate frequency. The two local oscillator tones used
for the mixing, and the clock signals for the next digitalization
and processing stages are generated by a frequency synthesizer
board, from a common reference.
The digitalization and posterior processing of the signals
can be carried out using generic devices, like an acquisition
board and an FPGA, according to the Software Defined Radio
(SDR) concept. In this way a programmable receiver is obtained.
These kind of receivers are versatile since they can be used
for testing acquisition, tracking, and navigation algorithms for
research and develop purposes. Commercial receivers do not have
that capability, because their digital processing stages cannot
be modified by the user. Moreover, a multi-band and multiconstellation
receiver allows to greatly increase the performance
in relation to mass market GNSS receivers which relay on only
one navigation system and one carrier frequency.
Measurements realized to the implemented prototype that
validate the proposed design are presented.
Resumen—En este trabajo se presenta el diseño y la implementación
de un receptor GNSS capaz de operar con las señales
civiles de las bandas L1 y L2 de GPS y GLONASS, y la señal E1
de Galileo. El prototipo desarrollado cuenta con dos cabezales de
radiofrecuencia, uno para la banda L1 y otro para la banda L2.
Cada cabezal acondiciona las señales recibidas de cada banda
y las convierte a una frecuencia intermedia. Los dos tonos de
oscilador local utilizados para las mezclas, así como los relojes
para las etapas de digitalización y procesamiento posteriores son
generados por una placa sintetizadora de frecuencias, a partir
de una referencia común.
La digitalización y el procesamiento posterior de las señales
se realiza en forma externa con dispositivos genéricos, como una
placa adquisidora y un dispositivo lógico programable o FPGA,
de acuerdo al concepto de SDR (Radio Definida por Software).
De esta forma se obtiene un receptor reprogramable que resulta
muy versátil debido a que puede emplearse como plataforma de
prueba de algoritmos de adquisición, seguimiento y navegación,
con fines de investigación y desarrollo. Esto no es posible en
receptores comerciales, ya que las etapas de procesamiento digital
no pueden ser modificadas por el usuario. Por otra parte,
un receptor multiconstelación y multibanda permite obtener
importantes ventajas en cuanto al desempeño en relación a los
receptores comerciales de bajo costo típicamente utilizados, que
operan con un único sistema de navegación y con una sola
frecuencia de portadora.
Los autores pertenecen al Departamento de Electrotecnia y al Laboratorio
de Electrónica Industrial, Control e Instrumentación, Facultad de Ingeniería,
Universidad Nacional de La Plata (UNLP), Buenos Aires, 1900, Argentina
(e-mail: lopezlavalle@ing.unlp.edu.ar).
Se presentan las mediciones realizadas al prototipo implementado
que permitieron validar el diseño propuesto.
Palabras clave—GNSS, receptor, SDR, RF, multibanda, multiconstelación.
I. INTRODUCCIÓN
LOS sistemas satelitales de navegación global (GNSS) son
constelaciones de satélites que transmiten señales a partir
de las cuales es posible determinar la posición de un receptor
ubicado en cualquier parte del mundo. Debido a que permiten
obtener una alta precisión en la determinación de la posición,
en los últimos años las aplicaciones de los GNSS han crecido
notablemente, reemplazando progresivamente a los métodos
de posicionamiento convencionales.
El sistema de navegación más conocido es el Sistema
de Posicionamiento Global (GPS), que fue desarrollado por
EE.UU. y se encuentra totalmente operativo desde 1994.
Sin embargo existen otros GNSS, como el sistema ruso
GLONASS, el cual recientemente fue declarado completamente
operativo, y el sistema europeo Galileo, actualmente
en proceso de desarrollo.
Los GNSS utilizan señales de espectro expandido de secuencia
directa. Los satélites de GPS transmiten en tres frecuencias
de portadora denominadas L1, L2 y L5. Los satélites
de Galileo también transmiten tres portadoras conocidas como
E1, E6 y E5. Tanto en GPS como en Galileo todos los satélites
comparten las mismas bandas de frecuencia haciendo uso de
la técnica de acceso múltiple por división de código (CDMA).
Por otra parte, los satélites de GLONASS utilizan acceso
múltiple por división de frecuencia (FDMA) y transmiten en
dos bandas llamadas L1 y L2. La Fig. 1 es un esquema
del espectro de las señales de los GNSS, allí se pueden
observar los anchos de banda y las frecuencias de portadora.
Una descripción más detallada de todas las señales puede
encontrarse en [1].
Para obtener la solución de posición un receptor de GNSS
debe recibir señales provenientes de al menos cuatro satélites.
Disponer de un receptor capaz de recibir las señales de distintos
GNSS aumenta considerablemente el número de satélites
visibles, lo cual asegura la continuidad en la solución de
posición, incluso bajo condiciones de operación adversas. Por
otra parte, con dos frecuencias de portadora es posible medir
el retardo ionosférico, que constituye una de las principales
fuentes de error en la determinación de la posición. De esta
forma se logra una importante mejora en la precisión de la
1

E5
L5 L2
1164
1176
1191
E6 E1
L1
L2 L1
1217
1227
1237
1242
1248
1260
1278
1300
Fig. 1. Distribución de frecuencias GNSS.
GPS
GLONASS
Galileo
1559
1565
1575
1585
1591
1598
1605
f[MHz]
solución de posición frente a los usuarios que utilizan una
única portadora, ya que estos últimos deben estimar el retardo
ionosférico usando modelos cuyos parámetros se transmiten en
el mensaje de navegación [2]. El uso de receptores multibanda
es habitual en aplicaciones de posicionamiento diferencial de
alta precisión, donde es posible alcanzar errores del orden del
centímetro [3]. Actualmente la mayor parte de los receptores
de GNSS comerciales están preparados para recibir sólo la
banda L1 de GPS, sin embargo en los próximos años, con
la disponibilidad de los nuevos sistemas, es esperable que
evolucionen para poder manejar una mayor variedad de señales
y así mejorar las prestaciones.
Teniendo en cuenta lo expuesto anteriormente, un receptor
multiconstelación y multibanda, es decir capaz de recibir las
señales de diversos GNSS y de más de una frecuencia de
portadora, tiene importantes ventajas en relación a los receptores
comerciales típicos que operan con un único sistema de
navegación y con una frecuencia de portadora. Por ello, en
este trabajo se presenta el diseño y la implementación de un
receptor experimental capaz de recibir las señales civiles de las
bandas L1 y L2 de GPS y GLONASS, así como la señal E1
de Galileo. Por lo tanto, el rango de frecuencias de interés
comprende las bandas L1/E1 de GPS/Galileo (1573MHz a
1577MHz) y L1 de GLONASS (1598MHz a 1606MHz), junto
con las bandas L2C de GPS (1226MHz a 1229MHz) y L2 de
GLONASS (1242MHz a 1248MHz).
El prototipo desarrollado se encarga de amplificar, seleccionar
y convertir a una frecuencia intermedia (FI) menor las
señales recibidas por la antena. La digitalización y el procesamiento
digital de las señales puede realizarse en forma externa
con dispositivos genéricos, como una placa adquisidora
y un dispositivo lógico programable o FPGA. Utilizando esta
arquitectura se consigue obtener un receptor reprogramable,
acorde al concepto SDR (Radio Definida por Software) [4].
Este tipo de receptores resultan muy versátiles debido a que
pueden emplearse como plataforma de prueba de algoritmos
de adquisición, seguimiento y navegación con fines de investigación
y desarrollo, lo cual no es posible en receptores
comerciales en los que las estrategias de procesamiento digital
son fijas y no pueden ser modificadas.
El trabajo está organizado de la siguiente manera. En la
Sección II se presenta la arquitectura elegida para el receptor
y se describe el diseño de los diferentes bloques que lo componen.
La Sección III resume los resultados de las mediciones
OCXO
CPLD
Cabezal de RF
L1
Sintetizador de
Frecuencias
Cabezal de RF
L2
Fig. 2. Diagrama de bloques del receptor.
GPS/Galileo L1
GLONASS L1
CLK1
CLK2
GPS L2
GLONASS L2
realizadas al prototipo implementado, mediante las cuales se
validó el diseño propuesto. Finalmente, en la Sección IV se
exponen las conclusiones obtenidas.
II. DISEÑO PROPUESTO
El rango de frecuencias de interés se concentra en dos
bandas bien definidas y relativamente separadas en aproximadamente
300MHz. Entonces, con el objetivo de simplificar
el diseño de la etapa de RF, se decidió implementar el receptor
con dos cabezales de radiofrecuencia: uno para la banda L1 y
otro para la banda L2. Cada cabezal acondiciona las señales
recibidas por su antena y las convierte a frecuencia intermedia
a través de su mezcla con un tono de oscilador local (OL). Los
dos tonos de oscilador local necesarios, así como los relojes
para las etapas de digitalización y procesamiento posteriores
son generados por una placa sintetizadora de frecuencias, a
partir de una referencia común. En la Fig. 2 se muestra un
diagrama en bloques del receptor completo.
A. Cabezales de RF
El esquema propuesto, conocido como receptor heterodino,
consiste en una etapa de RF con un amplificador de bajo
ruido (LNA) y un filtro que selecciona las bandas de interés.
Luego, las señales de RF se convierten a frecuencia intermedia
en donde se aporta el resto de la ganancia requerida y
se separan las bandas de GPS y GLONASS. Gracias a la
separación de las bandas se logra reducir el ancho de banda
de las señales. Esto permite disminuir las tasas de muestreo
y, en consecuencia, simplificar las etapas de digitalización y
procesamiento posteriores desde el punto de vista del consumo
y la cantidad de datos que deben ser almacenados y procesados
[5]. La Fig. 3 es un diagrama de bloques del cabezal de RF.
Debido a que las señales recibidas son débiles se enfatizó en
el diseño de los LNA, los cuales resultaron con figuras de ruido
de 1.1dB. Ambos cabezales de RF utilizan el mismo circuito
impreso y comparten la mayor parte de los componentes,
excepto las redes de adaptación del LNA, el filtro de RF y
algunos elementos del duplexor que separa las bandas de GPS
y GLONASS en FI. Una decripción más detallada del cabezal
de RF está disponible en [5].
2

LNA BPF
OL
BPF AMP. FI
Fig. 3. Diagrama de bloques del cabezal de RF.
OCXO
TCXO
Distribución de
referencia
CPLD
PLL L1
PLL L2
PLL CLK
Duplexor
Fig. 4. Diagrama de bloques del sintetizador de frecuencias.
B. Sintetizador de Frecuencias
GPS
GLONASS
OL L1
OL L2
CLK1
CLK2
El sintetizador de frecuencias se encarga de generar los
tonos de oscilador local necesarios para realizar la conversión
de las señales de RF a FI en los cabezales de radiofrecuencia.
Además, provee los relojes para las etapas de digitalización
y procesamiento. La frecuencia de los tonos de OL depende
del plan de frecuencias elegido, mientras que el reloj para la
etapa de digitalización está relacionado con el ancho de banda
de las señales de interés.
Elegir una FI alta si bien es deseable porque implica una
frecuencia imagen alejada de la banda de interés, requiere la
utilización de conversores analógico a digital (AD) de ancho
de banda elevado, los cuales son costosos [5]. Considerando la
atenuación que puede lograrse con filtros de RF comerciales
y el ancho de banda de los conversores AD típicos, utilizar
una FI de aproximadamente 45MHz es una opción razonable,
ya que permite obtener atenuaciones de frecuencia imagen
superiores a 30dB. Entonces, teniendo en cuenta las bandas de
frecuencias de interés, se eligieron tonos de OL de 1545MHz
y 1195MHz para L1 y L2 respectivamente. Con esta elección
las FI resultan 44.5MHz para L1 y 42MHz para L2. En cuanto
a la tasa de muestreo, considerando el ancho de banda de las
señales, si se utiliza la técnica de muestreo pasabanda, una
frecuencia de 20MHz es suficiente para cumplir con el teorema
del muestreo en todos los casos.
Para lograr un buen desempeño del receptor es importante
que tanto los tonos de OL como el reloj de muestreo sean
estables en frecuencia y estén derivados de una referencia
común. Una forma de generar una señal de frecuencia elevada
y precisa, a partir de una referencia de frecuencia menor,
es utilizando un lazo de enganche de fase (PLL). Además,
estos circuitos permiten derivar todas las frecuencias que se
necesiten sintetizar a partir de una única referencia. Esto es
fundamental en un receptor de GNSS, donde es necesario que
las distintas señales recibidas se procesen de manera coherente.
En el diseño propuesto se utilizan tres PLLs programables,
dos para generar los tonos de OL y otro para generar el reloj de
muestreo [6]-[8]. Estos PLLs emplean una referencia de fre-
Fig. 5. Espectro en la salida de FI de GPS/Galileo L1/E1.
Fig. 6. Espectro en la salida de FI de GLONASS L1.
cuencia común de alta precisión de 10MHz. El usuario puede
elegir entre una referencia interna o externa. La referencia
interna es un oscilador a cristal compensado en temperatura
(TCXO) con una estabilidad 2.5ppm [9], mientras que como
referencia externa se utilizó un oscilador a cristal con horno
(OCXO) cuya estabilidad es de 10ppb [10]. Esta última opción
mejora el desempeño del receptor, pero aumenta sensiblemente
su consumo. La referencia se distribuye a los tres PLLs a
través de un circuito que asegura un desfasaje mínimo entre las
señales. La Fig. 4 es un diagrama de bloques del sintetizador
de frecuencias.
Los PLLs utilizados cuentan con el VCO integrado, lo cual
simplifica el circuito. Estos dispositivos son programables,
pudiéndose configurar tanto su frecuencia como su nivel de
potencia. Esta característica da mayor versatilidad al diseño,
ya que permite que el usuario modifique el plan de frecuencias
en caso de que sea necesario. La programación se realiza por
medio de una CPLD (Complex Programmable Logic Device)
que configura los registros internos de los PLLs. Esta CPLD
también puede ser utilizada por el usuario para realizar otras
tareas, pues posee líneas de entrada/salida disponibles.
III. RESULTADOS
Las placas de RF, es decir los dos cabezales y el sintetizador
de frecuencias, se implementaron empleando un sustrato de
material RO4350 de cuatro capas. Este material es apto para
circuitos de RF ya que posee una constante dieléctrica definida
y estable. Además tiene la ventaja de que puede ser laminado
en múltiples capas con procedimientos estándar. El resto de
las placas, CPLD y OCXO, se implementaron en FR4 debido
que éstas operan a bajas frecuencias.
3

Fig. 7. Espectro en la salida de FI de GPS L2.
Fig. 8. Espectro en la salida de FI de GLONASS L2.
Para caracterizar los cabezales de RF se midieron los
espectros en todas las salidas de FI colocando tonos de la
frecuencia central de las bandas L1 y L2 de GPS y GLONASS
en ambas entradas de antena. La frecuencia de los tonos
empleados para L1 fue 1575MHz y 1602MHz, mientras que
para L2 fue de 1227MHz y 1245MHz. La potencia de los tonos
utilizados fue de -95dBm en todos los casos. Ambos cabezales
se configuraron con una ganancia de aproximadamente 85dB.
Las Figs. 5, 6, 7 y 8 muestran los espectros medidos. En
estas figuras se aprecia la selectividad en las salidas de FI y
la presencia del tono de prueba en la frecuencia intermedia
correcta, con la ganancia adecuada. Cabe destacar que no
se visualizan frecuencias espurias o interferencias en todo el
rango de frecuencias de interés.
Adicionalmente se verificó que el rechazo a las frecuencias
imagen es mayor a 30dB en todos los casos, y que la figura
de ruido se mantiene en 1.6dB. Estos valores, resumidos en la
Tabla I, son muy satisfactorios, siendo incluso mejores a los
que se pueden encontrar en receptores comerciales.
En cuanto a la placa del sintetizador de frecuencias se
midió el ruido de fase en las salidas de oscilador local de
L1 y L2 utilizando un analizador de espectro. Las Figs.
9 y 10 muestran los resultados obtenidos en función del
desplazamiento de la frecuencia de portadora. En la Tabla II
TABLA I
MEDICIONES DE LOS CABEZALES DE RF.
Medición GPS L1 GLO L1 GPS L2 GLO L2
Rechazo imagen 37dB 42dB 40.5dB 39.5dB
Figura de ruido 1.6dB 1.6dB 1.6dB 1.6dB
Ruido de Fase [dBc/Hz]
−60
−70
−80
−90
−100
−110
−120
10 2
−130
10 3
10 4
Frecuencia [Hz]
Fig. 9. Ruido de fase del oscilador local de L1.
Ruido de Fase [dBc/Hz]
−60
−70
−80
−90
−100
−110
−120
10 2
−130
10 3
10 4
Frecuencia [Hz]
Fig. 10. Ruido de fase del oscilador local de L2.
se indican algunos valores de ruido de fase medidos. Estos
valores son adecuados para las aplicaciones de interés de este
trabajo, ya que aseguraran una mínima degradación en los
niveles de señal a ruido de correlación, aun con tiempos de
integración largos [11].
Para caracterizar las salidas de reloj de muestreo, se obtuvo
su forma de onda con un osciloscopio y se midieron sus
parámetros más relevantes. La Fig. 11 muestra la forma de
onda de ambas señales. La Tabla III resume los resultados de
las mediciones efectuadas. Es importante notar que para este
diseño se utilizó una frecuencia de reloj de 40MHz, ya que
en el futuro se pretende asociar al receptor una placa digitalizadora
con dos conversores AD de dos canales, los cuales
requieren una frecuencia del doble de la tasa de muestreo.
Analizando los resultados obtenidos se puede concluir que la
generación de reloj es correcta, ya que las señales poseen la
frecuencia y los niveles de tensión adecuados (CMOS). Por
otra parte, el sobrepico es bajo y los tiempos de subida y de
10 5
10 5
TABLA II
MEDICIONES DE RUIDO DE FASE.
Desplazamiento de frecuencia OL L1 OL L2
1kHz -78dBc/Hz -80dBc/Hz
10kHz -82dBc/Hz -81dBc/Hz
100kHz -90dBc/Hz -86dBc/Hz
1MHz -115dBc/Hz -114dBc/Hz
10 6
10 6
4

Amplitud [V]
3
2
1
0
−1
−2
−3
0 10 20 30 40 50
Tiempo [ns]
60 70 80 90 100
Fig. 11. Formas de onda de los relojes.
TABLA III
MEDICIONES DE LAS SEÑALES DE RELOJ.
Medición CLK1 CLK2
Amplitud 3.2V 3.4V
Frecuencia 40.0MHz 40.0MHz
Tiempo de subida 750ps 900ps
Tiempo de bajada 2.9ns 3.1ns
Sobrepico 12% 6%
Ciclo de trabajo 50% 50%
CLK1
CLK2
bajada están dentro de los valores esperados. La diferencia de
fase entre las dos señales de reloj es de sólo 2.6 ◦ .
Una vez que todas las placas que componen el receptor
presentado fueron totalmente caracterizadas y se verificó su
correcto funcionamiento, se ensambló el receptor completo
y se le efectuaron pruebas funcionales para evaluar su funcionamiento
en conjunto. La Fig. 12 es una foto del prototipo
implementado. Para reducir su superficie, los cabezales de
RF se dispusieron uno encima del otro, ya que sus circuitos
impresos son idénticos.
Las pruebas funcionales consistieron en realizar la
adquisición de las señales de interés. La adquisición es un
procedimiento mediante el cual es posible detectar la presencia
de un satélite GNSS dado. Para llevar a cabo estas pruebas se
conectaron antenas para las bandas L1 y L2 a los cabezales
de RF correspondientes. Las señales de FI se digitalizaron
simultáneamente con una placa adquisidora a 20Msps [12].
Los datos obtenidos se procesaron con MATLAB utilizando
rutinas de adquisición específicas [13]. Las Figs. 13 y 14
Fig. 12. Receptor completamente ensamblado.
Fig. 13. Pico de correlación código C/A L1.
Fig. 14. Pico de correlación señal L2C.
pertenecen a los picos de correlación del satélite 29 de GPS,
para las señales de código C/A de L1 y L2C respectivamente.
En estas imágenes se puede observar que el retardo de código
coincide, ya que se trata de señales provenientes de un mismo
satélite y adquiridas en forma simultánea. La Fig. 15 es el
pico de correlación del satélite de GLONASS que transmite
en la frecuencia 1603.6875MHz. Es importante destacar que
se logró adquirir todos los satélites visibles al momento de realizar
la prueba, lo cual demuestra el correcto funcionamiento
del receptor completo.
Si bien existen cabezales de radiofrecuencia comerciales
implementados totalmente en circuitos integrados, estos sólo
operan en la banda L1. A modo ilustrativo en la Tabla IV se
comparan las características de algunos integrados comerciales
con el receptor presentado en este trabajo. En particular se
trata del SE4110L [14] de Skyworks, el STA5620 [15] de ST
Microelectronics, el NJ1006A [16] de Nemerix, el MAX2742
[17] y el MAX2769 [18] ambos de Maxim.
Fig. 15. Pico de correlación GLONASS L1.
5

TABLA IV
COMPARACIÓN CON CIRCUITOS INTEGRADOS COMERCIALES.
NF total Ruido de fase Rechazo imagen
Este trabajo 1.6dB -82dBc/Hz @ 10kHz 37dB
SE4110L 2.3dB -88dBc/Hz @ 10kHz 30dB
STA5620 4.5dB -65dBc/Hz @ 1kHz 20dB
NJ1006A 1.8dB -75dBc/Hz @ 100kHz no especificado
MAX2742 4.5dB -71dBc/Hz @ 10kHz 18dB
MAX2769 1.4 a 2.7dB no especificado 25dB
IV. CONCLUSIONES
Se presentó el diseño y la implementación de un receptor
GNSS experimental apto para recibir las señales civiles de
las bandas L1 y L2 de GPS y GLONASS, y la señal E1
de Galileo. El prototipo implementado fue validado mediante
mediciones y pruebas funcionales, cuyos resultados fueron
muy satisfactorios.
El diseño propuesto, basado en el concepto SDR, en conjunto
con una plataforma de procesamiento digital permiten
obtener un receptor altamente programable. Esta característica
resulta de gran utilidad en receptores experimentales, que
pueden utilizarse para la prueba de algoritmos de adquisición,
seguimiento y navegación, tanto con fines de investigación
como de desarrollo de aplicaciones específicas. La baja figura
de ruido lograda, junto con la capacidad para recibir señales
de las bandas L1 y L2 de GPS y GLONASS, hacen que este
receptor sea apto para aplicaciones de alta precisión.
En el futuro se prevé implementar todo el diseño presentado
en este trabajo en una una única placa. De esta forma se logrará
reducir el tamaño del prototipo facilitando su utilización en
otros ámbitos.
AGRADECIMIENTOS
Trabajo realizado con fondos de la Universidad Nacional de
La Plata (UNLP), Comisión de Investigaciones Científicas de
la Provincia de Buenos Aires (CICPBA) y Agencia Nacional
de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT).
REFERENCIAS
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new GNSS signals”, Inside GNSS, pp. 46-56, June 2006.
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