CN101841341B

CN101841341B - 北斗多模授时接收装置

Info

Publication number: CN101841341B
Application number: CN 200910073942
Authority: CN
Inventors: 张建城
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-03-17
Also published as: CN101841341A

Abstract

北斗多模授时接收装置由宽带授时有源天线和多模射频接收机模块组成，该技术方案不需要根据导航卫星和频段而设置若干个专用频段授时天线，射频接收机模块不采用时分复用技术频繁切换本振频率和中频滤波频点，也不采用可调谐方式切换频段和多通道解调方式，而是利用软件技术通过存储控制处理器控制可编程中频滤波器自动选择主备用授时信号，能够确保传输解调质量。由于本发明对授时有源天线和射频接收机模块实行了一体化设计，提供的最新电路设计和结构不仅提高了多模授时转换的灵活性、可靠性，而且十分有利于降低国内现有CDMA和TD-SCDMA移动通信基站由单模授时向多模授时转换的改造成本。

Description

北斗多模授时接收装置

技术领域

本发明涉及一种卫星定位导航多模授时接收装置，特别适用于CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等移动通信机站授时同步，属于移动通信和卫星定位导航领域。

背景技术

在现代移动通信系统中尤其是CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA移动通信系统中，要求整个蜂窝系统的无线接口都同步于同一个标准时刻，这个标准时刻一般是通过卫星定位导航系统或有线电缆提供的，由于卫星定位导航系统授时精确度高、时延小，因此在这些移动通信装置中多采用卫星授时，但是，随着多个国际卫星导航系统的建立，除美国的GPS卫星导航系统外，其他的如欧盟的Galileo、俄罗斯的GLONASS以及我国即将建立的“北斗二代”(COMPASS-M1)全球定位导航系统，都将或已经进入实际应用阶段，因此要求新一代的卫星定位导航或授时服务接收机，应能够同时兼容和接收不同卫星导航授时信号，为用户提供更加稳定、可靠、精确的服务，多系统兼容接收机代替单一系统接收机已成为必然。但是，目前国内多数设计和生产基站用授时有源天线和设计生产射频接收机芯片的企业是分别独立的，特别当我国鼓励开发以北斗二代卫星导航系统为主，同时具有多系统兼容型授时射频接收机的时候，就应该采取授时有源天线和射频接收机一体化设计的方法，选择最佳多模接收设计方案。申请人先前申请的“一种双模授时有源天线”专利，由于没有将射频接收机模块的设计统筹考虑在内，因此难于实现申请人的技术目标。为进一步提高卫星授时的可靠性和工艺性，保证国内CDMA和TD-SCDMA移动通信系统在正常运行的情况下进行北斗二代授时转换改造，降低系统转换成本，就有必要对授时有源天线和射频接收机模块进行统筹设计，采用最精简的技术路线，实现上述多模接收和兼容目标。

发明内容

本发明所要解决的问题是统筹设计以北斗二代为主，多系统兼容型授时有源天线和射频接收机模块，采用射频接收一体化设计方案，保证现有移动通信基站能够同时接收不同卫星导航授时信号，力争摆脱对单一卫星导航系统的依赖，提高我国移动通信系统网络的安全性、可靠性和自主性。

本发明北斗多模授时接收装置由宽带授时有源天线、多模射频接收机模块组成，其特征在于：所述宽带授时有源天线由宽带陶瓷介质接收天线、前置带通滤波器、低噪声场效应放大器、宽带带通滤波器、单片低噪声放大器、防雷击浪涌冲击电路、供电稳压电路、含微带电路的双面印制覆铜板、N型针式电连接器组成，该授时有源天线是发明人专利200520023991.1、200620024687.3和200720304839、200820228116.0、200820228123.0在本专利中的应用，也是以此为技术平台经改进而成。

所述多模射频接收机模块由多模窄带滤波器、混频器、一个共用频率综合发生器、中频集成滤波器、AGC自动增益放大器、A/D模数转换器、存储控制处理器、网络接口、多模信号选择器、信号电平检测器、宽带低噪声放大器、可编程中频滤波器、数字解调器等组成，其特征在于：所述多模射频接收机模块采用集成电路的方法制作在一个或两个芯片上，其中，混频器、频率综合发生器、中频集成滤波器、AGC自动增益放大器、A/D模数转换器集成在一个芯片上，存储控制处理器集成在另一个芯片上，或均集成在一个芯片上；或将混频器、频率综合发生器集成在一个芯片上，中频集成滤波器、AGC自动增益放大器、A/D模数转换器、存储控制处理器集成在另一个芯片上；或将混频器、频率综合发生器、多模信号选择器、信号电平监测器、LNA宽带低噪声放大器、A/D模数转换器集成在一个芯片上，可编程中频滤波器、数字解调器、存储控制处理器集成在另一个芯片上；多模射频接收机模块安装和贴装在一块覆铜印制电路板上。

上述陶瓷介质天线为宽带接收天线，可同时接受“北斗二代”和GPS、Galileo，或GLONASS卫星授时载波信号，其主要特征在于：该陶瓷介质天线的接收频率分别为“北斗二代”的1561.098MHz和GPS、Galileo的1575.42MHz；或扩展至GLONASS的1602.56MHz；该陶瓷介质天线设置于覆铜印制板的一面，并通过引线连接到前置带通滤波器输入端。

上述宽带带通滤波器采用陶瓷介质滤波器件或声表面波器件，频响带宽为1550至1580MHz，或至1620MHz；或采用参差调谐带通滤波器，其中f₀₁为“北斗二代”的1561.098MHz，f₀₂为GPS和Galileo的1575.42MHz，f₀₃为GLONASS的1602.56MHz带宽10MHz。

上述窄带滤波器分别设置，采用陶瓷介质滤波器件或声表面波器件，中心频率分别为1561.098MHz和1575.42MHz，带宽为4.092MHz；或GLONASS的1602.56MHz，带宽10MHz。

所述宽带授时有源天线主要技术参数如下：

(1)频率范围[MHz]：1550-1580；或扩展至1620

(2)增益[dBi]：＞20

(3)噪声系数[dB]：＜2.5+25℃、＜3.0+80℃

(4)带外抑制[dB]：fo＝1570MHz；或fo＝1585MHz

fo±30MHz ＞5

fo±50MHz ＞20

fo±100MHz ＞50

(5)输入输出电压驻波比： ≤2.0

(6)防浪涌(冲击)抗扰度性能符合

GB/T17626.5-1999 idt IEC 61000-4-5：1995标准

浪涌波形：CWG组合波，1.2/50μs，8/20μs

电压峰值[V]：≥2000

脉冲数量：10

(7)信号时延小于5ns。

上述前置带通滤波器、低噪声场效应放大器、宽带带通滤波器、单片放大器和防雷击浪涌冲击电路及供电稳压电路位于印制板的另一面；以上电路完全屏蔽且分置在两个金属屏蔽腔内，前置带通滤波器和低噪声场效应放大器置于一个金属屏蔽腔内，其余电路置于另一个屏蔽腔内。

上述宽带授时有源天线和多模射频接收机模块的电原理是：宽带授时有源天线同时接收来自“北斗二代”和GPS、Galileo卫星授时载波信号，经低噪声放大和宽带滤波器后，经由避雷器、同轴电缆传输至多模射频接收机模块，宽带高频信号分别经两个窄带滤波器滤波，产生中心频率分别为1561.098MHz和1575.42MHz、频响带宽为4.092MHz的两组高频模拟信号，然后分别进入各自的混频器，与频率综合发生器产生的本振频率进行下变频混频，经混频产生两个中心频率不同但带宽相同的中频模拟信号，由于GPS授时信号的带宽为2.046MHz，Galileo为4.092MHz，因此经下变频后的其中一组中频信号同时包含着GPS和Galileo两组卫星的授时信息，但扩频码率不同，另一组则为北斗二代中频信号，带宽为4.092MHz，两组中频信号同时进入中频集成滤波器，中频集成滤波器在存储控制处理器的控制下，依据设定的中心频率和频带带宽自动默认其中一个卫星授时中频信号为主信号，其它为备用信号，或者同时切换备用信号振荡器，以减少自身产生的邻频干扰；经滤波后的中频信号进入AGC自动增益放大器，然后进入A/D模数解调器完成模数转换和解扩频解算，存储控制处理器将解算后的数字时间信号通过网络接口，按着与基站时间同步机之间的通信协议和技术规范传输时间同步信号，保证移动通信系统同步于一个基准时间。

上述中频集成滤波器也可采用陶瓷介质滤波器或声表面波等分立器件外设置，其中心频率取决于本振频率的选择，设置在1至30MHz；GPS的中频带宽为2.046MHz；北斗二代和Galileo的中频带宽为4.092MHz，GLONASS中频带宽为10MHz。

另一种技术方案是采用软件技术解调。为涵盖现有四种卫星导航系统授时载波信号，可将宽带授时有源天线接收带宽扩大至1620MHz，在多模射频接收机模块中增加GLONASS窄带滤波器，其中心频率为1602.56MHz，带宽10MHz；或在混频器之前设置一个多模信号选择器，该选择器的主要功能是对输入射频接收机的高频信号输入电平进行检测和比较，以选择信号较强、脉码畸变较小者作为授时主信号；多模信号选择器由独立设置或设置在存储控制处理器里的信号电平检测器负责监控，相对应的是可编程中频集成滤波器同时根据信号电平检测器或存储控制处理器的控制指令做出相应的中频滤波频点和频带切换动作，以保证数字解调器准确解调；混频器可设置一个，或通过同步切换本振频率的方式防止产生邻频干扰，宽带低噪声放大器、A/D模数转换器设置在混频器之后，以保证可编程中频数字滤波器所需数字中频信号及信号放大增益。

本发明与现有多模式射频解调技术所不同的是，该技术方案不需要根据导航卫星和频段而设置若干个专用频段授时天线，本发明只采用一个宽带授时有源天线；射频接收机模块不采用时分复用技术频繁切换本振频率和中频滤波频点，也不采用可调谐方式切换频段，而是采用多路射频解调或利用软件技术通过存储控制处理器以及可编程或可写入中频集成滤波器自动选择主备用授时信号，为防止本振产生邻频干扰，存储控制处理器还可以控制和切换备用信号振荡器，或通过多模信号选择器关闭备用授时信号，因此时间脉冲不会因传输和解调发生异变，能够确保传输解调质量。由于本发明对授时有源天线和射频接收机模块实行了一体化设计，提供的最新电路设计和结构充分利用了现有芯片集成技术和软件射频技术，不仅提高了多模授时转换的灵活性、可靠性，而且十分有利于降低成本。特别是我国运行中的CDMA和TD-SCDMA移动通信系统，在由GPS单模授时转换为多模授时时，只需要更换基站的授时有源天线和射频接收机模块，其它硬件设施可完整保留使用，且不增加新的设备，在保证整个移动通信系统网络正常运行的同时，可大幅降低改造费用。该技术方案还可以扩展至其它卫星民用或军用频段，同时也可应用于多模定位导航装置上。

附图说明

图1是本发明北斗多模授时接收装置原理图

图2是本发明多模射频接收机模块原理图

具体实施方式

实施例一：

宽带授时有源天线电路由宽带陶瓷介质天线101、前置滤波器102、低噪声场效应放大器103、宽带滤波器104、单片低噪声放大器105、防雷击浪涌冲击电路106、供电稳压电路107、含微带电路的双面印制覆铜板、N型针式电连接器等构成，工作原理是：宽带陶瓷介质天线101接收来自GPS、Galileo和“北斗二代”卫星授时载波信号，经前置滤波器102滤波保证1550至1580MHz带外抑制，然后送低噪声场效应放大器103放大，经放大的宽带信号进入宽带滤波器104，形成中心频点为1570MHz，同时覆盖1561.098MHz和1575.42MHz的载波信号，或采用参差调谐成多频点宽带滤波，再经单片低噪声放大器105放大，确保整体增益在20db以上，噪声在2.5db以下，然后通过N型针式电连接器与连接基站的避雷器、同轴电缆连接，将信号传送至多模射频接收机模块。

多模射频接收机模块由窄带滤波器201、混频器202、频率综合发生器203、中频集成滤波器204、AGC自动增益控制放大器205、A/D模数转换器206、存储控制处理器207、网络接口208等构成，其工作原理是：经同轴电缆传输至多模射频接收机模块的宽带高频信号分别经两个窄带滤波器201滤波，产生中心频率分别为1575.42MHz和1561.098MHz、频响带宽为4.092MHz的两组高频模拟信号，然后分别进入各自的混频器202，与频率综合发生器203产生的本振频率进行下变频混频，经混频产生两个中心频率不同、带宽相同的中频模拟信号。由于GPS授时信号的带宽为2.046MHz，Galileo为4.092MHz，因此经下变频后的其中一组中频信号同时包含着GPS和Galileo两组卫星授时信息，另一组则为北斗二代中频信号，带宽为4.092MHz，两组中频信号同时进入中频集成滤波器204，存储控制处理器依据中心频率和频带带宽以及脉码质量自动默认其中一个卫星授时中频信号，其它作为备用，主信号经滤波后进入AGC自动增益控制放大器205，然后进入A/D模数解调器206完成模数转换和解算，存储控制处理器207将解算后的数字时间脉冲通过网络接口208，并按着与基站时间同步机之间建立的通信协议和技术规范，将时间脉冲同步信号传输至基站时间同步基板，保证移动通信系统同步于一个基准时间。如图1所示。

实施例二：

该技术方案是采用软件技术对多模授时信号进行解调，为涵盖现有四种卫星导航系统授时，将宽带授时有源天线接收带宽扩大至1620MHz，在多模射频接收机模块中增加GLONASS窄带滤波器201，其中心频率为1602.56MHz带宽10MHz；在混频器202之前设置一个多模信号选择器209，该选择器209的主要功能是对输入射频接收机的高频信号输入电平进行检测，或通过默认的授时信号进行解调，经比较判断选择授时信号较强、脉码畸变较小者作为授时主信号；多模信号选择器209由独立设置或设置在存储控制处理器207的信号电平检测器210负责监控，相对应的是可编程中频集成滤波器211同时根据信号电平检测器210或存储控制处理器207的控制指令做出相应的中频频点和频带切换动作，以保证数字解调器212准确解调；混频器202可设置一个，或同步切换本振频率；LNA宽带低噪声放大器205、A/D模数转换器206设置在混频器之后，以保证可编程中频滤波器211所需数字中频信号及放大增益。其它同上。如图2所示。

鉴于GLONASS卫星载波频率是否改频以及如何改频，都将影响本发明另一种技术方案的实施，因此本发明仅以当前发送的下行载波频率参数为例予以说明；另由于软件可编程中频滤波及数字解调技术已经成熟，可编程滤波软件和授时数字解调软件也可有不同编写模式和版本，即使变更也不会改变以北斗二代为主的多模兼容接收模式，因此，凡与本技术实现方式与原理相同或等同变换的，其实质均落入本发明保护之列，从事该技术领域的技术人员应与理解。

Claims

1.一种北斗多模授时接收装置由宽带授时有源天线、多模射频接收机模块组成，其特征在于：

所述宽带授时有源天线包括宽带陶瓷介质接收天线、前置带通滤波器、低噪声场效应放大器、宽带带通滤波器、单片低噪声放大器、防雷击浪涌冲击电路、供电稳压电路、含微带电路的双面印制覆铜板、N型针式电连接器；宽带陶瓷介质天线接收来自不同导航卫星系统的授时载波信号，经前置带通滤波器、低噪声场效应放大器进入宽带滤波器，经滤波后的授时载波信号进入单片低噪声放大器放大并由N型针式电连接器传输至多模射频接收机模块；

所述多模射频接收机模块包括第一和第二窄带滤波器、混频器、一个共用频率综合发生器；中频集成滤波器、AGC自动增益放大器、A/D模数转换器和存储控制处理器、网络接口；其中，混频器、频率综合发生器、AGC自动增益放大器、中频集成滤波器、A/D模数转换器集成在一个芯片上，存储控制处理器集成在另一个芯片上，或均集成在一个芯片上；或将混频器、频率综合发生器集成在一个芯片上，中频集成滤波器、AGC自动增益放大器、A/D模数转换器、存储控制处理器集成在另一个芯片上；来自宽带授时有源天线的授时载波信号首先进入窄带滤波器，再经混频器和频率综合发生器混频产生中频模拟信号进入中频集成滤波器，然后进入AGC自动增益放大器和A/D模数解调器完成模数转换和解扩频解算；或

所述多模射频接收机模块包括第一、第二和第三窄带滤波器、混频器、一个共用频率综合发生器；多模信号选择器、信号电平检测器、LNA宽带低噪声放大器、A/D模数转换器、可编程中频滤波器、数字解调器；将混频器、频率综合发生器、多模信号选择器、信号电平检测器、LNA宽带低噪声放大器、A/D模数转换器集成在一个芯片上，可编程中频滤波器、数字解调器、存储控制处理器等集成在另一个芯片上；来自宽带授时有源天线的授时载波信号经窄带滤波器进入多模信号选择器，再经混频器和频率综合发生器混频产生中频模拟信号进入LNA宽带低噪声放大器和A/D模数转换器，产生的中频数字信号进入可编程中频滤波器、数字解调器完成解扩频解算；存储控制处理器控制频率综合发生器、多模信号选择器、信号电平检测器，实现主备信号选择、解算和网络接口输出；

上述多模射频接收机模块安装和贴装在一块覆铜印制电路板上。

2.根据权利要求1所述的北斗多模授时接收装置，其特征在于：所述陶瓷介质天线为宽带接收天线，接收频率分别为“北斗二代”的1561.098MHz和GPS、Galileo的1575.42MHz；或扩展至GLONASS的1602.56MH；该陶瓷介质天线设置于覆铜印制电路板的一面，并通过引线连接到前置带通滤波器输入端。

3.根据权利要求1所述的北斗多模授时接收装置，其特征在于：所述宽带带通滤波器采用陶瓷介质滤波器件或声表面波器件，频响带宽为1550至1580MHz，或扩展至1620MHz；或采用参差调谐带通滤波器，其中中心频率f₀₁为“北斗二代”的1561.098MHz，f₀₂为GPS和Galileo的1575.42MHz；或f₀₃为GLONASS的1602.56MHz。

4.根据权利要求1所述的北斗多模授时接收装置，其特征在于：所述窄带滤波器采用陶瓷介质滤波器件或声表面波器件，第一、第二窄带滤波器的中心频率分别为1561.098MHz和1575.42MHz，带宽为4.092MHz；第三窄带滤波器的中心频率为1602.56MHz。

5.根据权利要求1所述的北斗多模授时接收装置，其特征在于：所述中频集成滤波器为可写入中频滤波器；或采用陶瓷介质滤波器或声表面波等分立器件设置，其中心频率取决于本振频率的选择，设置在1至30MHz；GPS的中频带宽为2.046MHz，北斗二代和Galilieo的中频带宽为4.092MHz，GLONASS的中频带宽为10MHz。

6.根据权利要求1所述的北斗多模授时接收装置，其特征在于：上述前置带通滤波器、低噪声场效应放大器、宽带带通滤波器、单片放大器和防雷击浪涌冲击电路及供电稳压电路位于覆铜印制电路板的一面；以上电路完全屏蔽且分置在两个金属屏蔽腔内，前置带通滤波器和低噪声场效应放大器置于一个金属屏蔽腔内，其余电路置于另一个屏蔽腔内。

7.根据权利要求1所述的北斗多模授时接收装置，其特征在于：所述宽带授时有源天线主要技术性能指标是：

(1)频率范围[MHz]：1550-1580；或扩展至1620

(2)增益[dBi]：＞20

(3)噪声系数[dB]：＜2.5+25℃、＜3.0+80℃

(4)带外抑制[dB]：fo＝1570MHz；或fo＝1585MHz

fo±30MHz ＞5

fo±50MHz ＞20

fo±100MHz ＞50

(5)输入输出电压驻波比： ≤2.0

(6)防浪涌(冲击)抗扰度性能符合

GB/T17626.5-1999idt IEC61000-4-5：1995标准

浪涌波形：CWG组合波，1.2/50μs，8/20μs

电压峰值[V]：≥2000

脉冲数量： 10

(7)信号时延小于5ns。

8.根据权利要求1所述的北斗多模授时接收装置，其特征在于：所述宽带授时有源天线同时接收来自GPS、Galileo和“北斗二代”卫星授时载波信号，经低噪声放大和宽带滤波器后，经由避雷器、同轴电缆传输至多模射频接收机模块，宽带高频信号分别经第一和第二窄带滤波器滤波，产生中心频率分别为1561.098MHz和1575.42MHz、频响带宽为4.092MHz的两组高频模拟信号，然后分别进入各自的混频器，与频率综合发生器产生的本振频率进行下变频混频，经混频产生两个中心频率不同、带宽相同的中频模拟信号，由于GPS授时信号的带宽为2.046MHz，Galileo的为4.092MHz，因此经下变频后的其中一组中频信号同时包含着GPS和Galileo两组卫星授时信息，另一组则为北斗二代中频信号，带宽为4.092MHz，两组中频信号同时进入可写入中频集成滤波器，可写入中频集成滤波器在存储控制处理器的控制下，依据中心频率和频带带宽自动默认其中一个卫星授时中频信号为主信号，其它为备用信号，或者同时切换备用信号振荡器；经滤波后的中频信号进入AGC自动增益放大器，然后进入A/D模数解调器完成模数转换和解扩频解算，存储控制处理器将解算后的数字时间信号按着与基站时间同步机之间的通信协议和技术规范传输时间同步信号，保证移动通信系统同步于一个基准时间。

9.根据权利要求1所述的北斗多模授时接收装置，其特征在于：采用软件技术解调，可编程中频滤波器根据信号电平检测器或存储控制处理器的控制指令做出相应的中频频点和频带切换动作，LNA宽带低噪声放大器、A/D数模转换器设置在混频器之后，以保证可编程中频滤波器所需的中频数字信号和放大增益。