CN102176035A - 面向下一代卫星导航系统的多模并行射频接收方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多模并行射频接收方法，包括步骤：1）射频信号通过天线接收；2）不同的导航信号复用相同的射频前端；3）由射频前端输出的信号经过镜像抑制接收机结构，根据本振信号相对相位的不同，所述镜像抑制接收机结构分为I/Q两路；I/Q两路上都包括一个复数滤波器，在复数滤波器实现镜像复用和镜像重构，从而实现多种导航信号的并行接收；4）将接收到的各模式信号转换为数字信号。本发明的方法控制逻辑简单，模块复用率高，尤其是通过一个频率综合器即可实现多种导航信号的联合导航和定位解算，极大的减小了多模并行GNSS接收机的芯片面积和功耗；适合与数字基带芯片单片集成。

Description

面向下一代卫星导航系统的多模并行射频接收方法及装置

技术领域

本发明属于射频通讯技术领域，提供一种面向下一代卫星导航系统的多模并行GNSS射频接收机。

背景技术

美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯全球卫星导航系统GLONASS、欧洲伽利略卫星定位系统(Galileo)、以及发展中的中国北斗二代定位系统，能够提供全球、全天候、实时、连续的高精度位置信息，已经广泛应用于各类民用和军用目标的定位、导航、授时和精密测量，是全球发展最快的三大信息产业(移动电话、互联网和卫星定位导航)之一。

未来若干年内，卫星导航应用将从单一的GPS时代转变为多星座(GPS/GLONASS/北斗/伽利略)并存兼容的GNSS时代。随着GPS系统的不断成熟，欧洲的Galileo伽利略系统和中国的BD-2北斗二代系统的发展，利用多种模式的信号进行导航定位，可以提高系统应用的完好性和可靠性，提高系统的定位精度和导航连续性，是下一代卫星导航系统的必然趋势。根据2010年慕尼黑卫星导航峰会的数据，北斗，Galileo都致力于提高与其他卫星导航系统的兼容性，互操作性能，包括国际地球参考框架的一致性，和时间坐标等都有成熟的技术支撑。共同使用多个卫星导航系统的开放服务，能够在用户层面比单独使用一种服务获得更好的能力，而并不显著的增加接收机的成本和复杂性。因此，面向下一代GNSS系统的多模并行接收机具有广阔的市场发展前景，作为多模接收机中的关键技术射频前端芯片是未来多模并行导航能否真正走向市场运用的关键。我国卫星导航芯片的研究始于2000年，当时主要研究方向是GPS、GPS+GLONASS和北斗一代芯片的研究。到2004年，已研制成功GPS+GLONASS的相关器芯片和北斗一代的FPGA接收板。2007年，我国第一块具有自主知识产权的双系统卫星定位导航接收机核心芯片SR8824芯片通过测试验收，其能够实现具有通信功能的北斗一代系统(BD-1)与GPS的兼容接收，但在所有目前公开发表的文献中，没有发现涉及“BD-2/GPS/Galileo/GLONASS多模接收机射频前端系统结构”。报道的文献和技术主要是针对GPS/Galileo、GPS/GLONASS以及Galileo/GLONASS双模接收机的。国内专利(ZL 200520079633.20)基于并行叠加多个信号通路，并没有针对多模接收机提出新的方法，其需要多个射频前端模块，包括多个混频器、滤波器、模数转换器等，具有结构复杂、芯片面积大、功耗高、成本高的缺点，不适用于低成本、低功耗的便携式接收机。国内专利(200710107693.4)提出了一种利用单通道射频前端实现GNSS多模并行接收的办法，其利用时分复用的原理，高速的切换频率综合器的震荡频率，以及对基带滤波器的截止频率提出了非常苛刻的要求。国内申请专利200810113003.0提出了一种军民两用的全球卫星导航系统多模射频接收方法，其致力于民用导航信号和军用导航信号的可重构性，需要复杂的频谱规划才能完成系统指标，多种片上频率成分限制了系统的灵敏度，杂散和功耗水平的进一步完善。2011年，在亚洲固态集成电路会议上，文章“A Reconfigurable Dual-ChannelTri-Mode All-Band RF Receiver for Next Generation GNSS”通过采用双通道低中频架构，实现了多种GNSS导航双通道并行，但是采用了多个射频前端和多个频率综合器，电路比较复杂，面积开销比较大，功耗也比较高，并不适宜在未来大范围商业推广。

发明内容

本发明的目的提供一种面向下一代全球导航系统的(GNSS)的多模并行射频接收机，采用镜像复用的方式实现北斗二代，GPS和Galileo民用导航信号的多模并行接收。该方法只包含一个射频前端和一个频率综合器，具有系统模块简洁高效、控制逻辑简单、单芯片集成、芯片面积小等特点。

本发明原理

GNSS系统包括美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯全球卫星导航系统GLONASS、欧洲伽利略卫星定位系统(Galileo)、以及发展中的中国北斗定位系统等。一般而言，导航信号带内受到严格保护，无强信号干扰。在多数运用领域，一般实现带宽在2MHz～8MHz的窄带导航信号，如GPS-L1-CA(中心频率1575.42MHz，带宽2.046MHz)，规划中的北斗信号BD-B1(中心频率1561.098MHz/1575.42MHz/1589.742MHz，带宽4.092MHz)，伽利略导航系统Galileo-E1-BOC(1，1)(中心频率1561.098MHz/1575.42MHz/1589.742MHz，带宽4.092MHz/6.138MHz/8.184MHz)等；

近年来，为了提高卫星导航系统在定位、导航和授时领域的性能，卫星导航系统的兼容性和互操作性成为一个研究热点。多款支持多种导航卫星信号的基带芯片走向市场，如2010年发布的北斗星通Nebulas芯片宣布支持全部现有卫星导航系统信号，在一颗芯片上可同时支持高达6路不同频率的卫星信号，然而，其需要数颗射频前端芯片进行联合导航和解算定位，单通道单模式的射频前端芯片对整机的功耗、面积和成本都提出了非常高的挑战。基带算法的飞速发展呼唤新的射频接收机架构。

考虑到GNSS系统导航信号的频谱特性，考虑民码的特殊性，我们提出了一种将导航信号互为镜像的频谱规划和接收机架构。传统的GNSS射频接收机主要采用并行复用多个信号通路的射频前端架构，需要多个频率综合器和射频前端电路，具有结构复杂、芯片面积大、功耗高、成本高的特点。频率综合器之间的相互干扰，多个射频通道之间的有限的隔离度，都对传统的多通道射频前端架构提出了巨大的挑战。本发明综合利用镜像抑制接收机的特性，创新性的提出镜像复用的多模并行GNSS接收机架构，能对GNSS不同的窄带和宽带信号同时进行无干扰接收，并能够根据导航要求，进行可重构配置，真正做到单片化、集约化和智能化，具有很高的实用性。

为了实现本发明的目的采用的技术方案概述如下：

一种面向下一代卫星导航系统的多模并行射频接收方法，包括以下步骤：

1)射频导航信号通过天线接收；

2)不同的导航信号复用相同的射频前端；

3)由射频前端输出的信号经过镜像抑制接收机结构，根据本地振荡信号的相位，所述镜像抑制接收机结构分为I/Q两路；I/Q两路上都包括一个复数滤波器，在复数滤波器实现镜像复用和镜像重构，使得不同的导航信号在模拟基带互为镜像，从而实现多种导航信号的并行接收；

4)将接收到的各模式信号转换为数字信号。

所述步骤1)包括各种导航模式信号的射频信号通过天线接收，然后通过表面声波滤波器抑制带外干扰信号。

所述步骤2)接收到的射频信号向后输出至与天线匹配的宽带低噪声放大器，用于抑制噪声。

所述步骤2)射频前端包括一个频率综合器和混频器电路。

所述步骤3)根据导航信号的频谱关系，频率综合器将本振信号频率设定为不同导航信号的中心频率，所有的导航信号都进行下变频，实现互为镜像。

所述步骤3)I/Q两路信号相位有交换，则其有用信号和镜像信号将发生交换。

所述步骤4)采用模数转换电路将射频信号转换为数字信号。

一种面向下一代卫星导航系统的多模并行射频接收装置，包括一个射频前端，所述射频前端连接镜像抑制接收机；所述镜像抑制接收机结构分为I/Q两路；I/Q两路上都包括一个复数滤波器，在复数滤波器实现镜像复用和镜像重构。

所述复数滤波器包括多个滤波单元，利用有源RC结构，采用数字控制的电阻和电容阵列实现多种带宽模式的粗调和细调。

与现有技术相比，本发明具有的技术效果有：

(1)控制逻辑简单，模块复用率高，尤其是通过一个频率综合器即可实现多种导航信号的联合导航和定位解算，极大的减小了多模并行GNSS接收机的芯片面积和功耗；  (2)适合与数字基带芯片单片集成(SOC，System-On-Chip)。

附图说明

图1面向下一代全球卫星导航系统的多模并行射频接收机的结构示意图；

图2面向下一代全球卫星导航系统的多模并行射频的频谱规划示意图；

图3复数滤波器2阶Biguad单元示意图；

图4频率综合器架构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及附表，对本发明进行详细描述。

本发明支持的导航信号的频谱如下：

表1下一代多模并行卫星导航接收机高边带频谱特征

注：BD-B1*代表在2020年左右北斗2代的发射频谱规划。

表2下一代多模并行卫星导航接收机低边带频谱特征

注：GPS L5调制方式和码率等仍然在不断改进中。

参考图1，本发明实现的面向下一代全球导航系统的多模并行射频接收机包括以下主要部件：

(1)LNA低噪声放大器

射频信号经过宽带天线，进入射频接收系统，低噪声放大器在接收频点附近和天线实现良好的输入匹配，并产生20dB的电压增益，抑制下一级电路噪声和带外干扰；

(2)正交差分转单端混频器

本发明中，不同的导航信号复用相同的射频前端，都经过正交差分转单端混频器实现下变频。根据频谱规划的设置，在高边带卫星导航信号部分，我们注意到不同模式的导航信号，都集中在1575.42MHz，1561.098MHz和1589.742MHz，为了实现如图2所示的BD-B1(中心频率1561.098MHz)或者BD-B1*(中心频率1561.098MHz)，GPS-L1(中心频率1561.098MHz，带宽2MHz)的信号，将本振信号频率设定为1568.259MHz，则所有的导航信号都下变频到7.161MHz左右(图2(b))，实现互为镜像。该镜像在模拟基带被IQ交换的复数滤波器(中频为7.161MHz)实现镜像抑制和频带选择，从而实现如图2(c)的多种导航信号的并行接收。

在低边带卫星导航信号部分，不同模式的导航信号集中在1207.14MHz和1176.45MHz，为了实现对BD-B2，GPS L5和Galileo E5的多模并行接收，将本振信号频率设定为1191.795MHz，则所有的导航信号都下变频到15.345MHz左右，实现多种导航模式的互为镜像。该镜像在模拟基带被IQ交换的复数滤波器(中频为15.345MHz)实现镜像抑制和频带选择，从而实现如图2(c)的多种导航信号的并行接收。

(3)复数滤波器

在本发明中，对高边带卫星导航信号，正交差分转单端混频器之后接了两个镜像复用的复数滤波器。复数滤波器可以根据输入IQ四路信号的幅度和相位，通过对有用信号和镜像信号进行不同的幅度和相位操作，实现对导航信号的镜像抑制和频带选择。若输入信号的IQ相位有交换，如图1中复数滤波器1和复数滤波器2所示，则其有用信号和镜像信号将发生交换，在低边带注入通道，包含下变频混频器1，放大器，复数滤波器1和放大器3和模数转换器1，射频信号中心频率为1575.42MHz，中频带宽可在2.046MHz/4.096MHz/6.138MHz和8.184MHz可切换，从而能够实现对GPS_L1，BD-B1，Galileo L1A的并行接收。

对低边带卫星导航信号，类似的，正交差分转单端混频器之后接了两个镜像复用的复数滤波器。复数滤波器可以根据输入IQ四路信号的幅度和相位，通过对有用信号和镜像信号进行不同的幅度和相位操作，实现对导航信号的镜像抑制和频带选择，中心频率为15.345MHz，中频带宽可在4.096MHz，8.184MHz和10.23MHz可切换，从而能够实现对GPS_L5，BD-B2，Galileo E5的并行接收。

复数滤波包括多个2阶滤波单元Biguad，如图3所示，复数滤波器利用有源RC结构，采用数字控制的电阻和电容阵列实现多种带宽模式的粗调和细调。该电路结构有良好的线性度，卓越的噪声性能和较宽的调节范围，适合于GNSS接收机设计。

(4)可重构的小数分频频率综合器

本发明中，如图4所示，只使用一个小数分频频率综合器即可实现对下一代导航信号的多模并行接收。对高边带信号而言，频率综合器的输出频率为1568.259MHz或者1582.581MHz，可以根据需要的多模并行的模式进行可重构和切换。对低边带信号而言，频率综合器的输出频率为1191.795MHz，也可以根据需要的多模并行的模式进行可重构和切换。采用小数分频频率综合器，外部参考时钟可以在较大范围内进行变换。输出本地震荡信号的正交相位通过多级RC相器实现。

为了对本发明进行详细说明，现以高边带多模并行导航模式为例，举一个如下具体实施例：

针对全球定位系统GPS L1频带信号，北斗通信系统BD-B1模式信号，伽利略导航系统Galileo L1多模并行接收，通过单频率综合器架构和镜像复用的射频接收机架构，并行处理三种模式的导航信号。

参考表1提供的各中导航模式信号的频谱特性，确定对应的本振信号L0的频率为1568.259MHz，具体的实施方式包括：

(1)包括各种导航模式信号的RF射频信号通过天线接收，然后通过片外SAW表面声波滤波器，通带涵盖GPS L1频带C/A码信号、北斗通信系统BD-B1模式信号、Galileo L1模式信号，抑制带外干扰信号，将滤过波的RF射频信号向后输出至宽带LNA低噪声放大器；

(2)LNA低噪声放大器，需要与天线的良好的匹配能力，有效放大包括GPS L1频带C/A码信号、北斗通信系统BD-B1模式信号、Galileo L1模式信号的三种导航信号，提供电压增益约为25dB，从而抑制后级电路的噪声；

(3)参考图1，对导航信号而言，GPS L1频带C/A码信号，Galileo L1模式信号和北斗通信系统BD-B1模式信号经过镜像抑制接收机结构，信号分为I/Q两路；I/Q两路上都包括一个4阶的复数滤波器，其作用滤除射频混频器产生的高阶分量，并实现频带选择。I/Q两路信号在复数滤波器实现镜像复用和镜像重构，在去除窄带导航信号的镜像干扰信号的同时，从而得到IF中频信号。

窄带的IF中频信号通过后续的电路模块，包括一个基带放大器以及2位模数采样电路，直流偏移消除电路和自动增益控制电路，将IF中频信号转换为数字部分能够处理的数字信号。数字部分通过对应的导航系统的导航电文信息，即可解调出民用的全球定位系统GPS和北斗导航系统对应的导航信息。

低边带多模并行导航模式与高边带类似，不同的是，本振信号频率为1191.795MHz，中频滤波器的中心频率为15.345MHz，带宽为4.096MHz，8.184MHz和10.23MHz可切换，从而能够实现对GPS_L5，BD-B2，Galileo E5的并行接收。

设计中用于下一代全球导航系统GNSS的镜像抑制双通道接收机可以单独工作，减小固定频点固定模式导航的功耗的要求。同时双通道多模射频接收系统，可以在某些特定运用场合，极大的提高系统的可靠性和可重构性，提高接收机系统的生存能力。

这种面向下一代全球卫星导航系统的单频率综合器双通道多模并行接收机技术及其装置有广阔的运用前景和市场。随着卫星导航发展的需要，卫星导航应用也将从单一的GPS时代转变为多星座(GPS/北斗/伽利略)并存兼容的下一代GNSS时代。由于多种导航系统之间互操作获得效益大于付出的代价，在用户级提供更好的能力，多种导航系统间相互播发包括系统时间偏差在内的互操作信息，频率多样性也对系统提高抗干扰能力具有潜在的优越性，因此，下一代GNSS系统对射频前端的系统架构和电路实现都提出了更高的要求。本发明提出的面向下一代GNSS系统的双通道多模并行接收机具有低成本，低面积，可重构性好等特点，推动其广泛的市场化运用具有极大的现实意义。

Claims (9)

1.一种面向下一代卫星导航系统的多模并行射频接收方法，包括以下步骤：

1)射频导航信号通过天线接收；

2)不同的导航信号复用相同的射频前端；

3)由射频前端输出的信号经过镜像抑制接收机结构，根据本地振荡信号的相位，所述镜像抑制接收机结构分为I/Q两路；I/Q两路上都包括一个复数滤波器，在复数滤波器实现镜像复用和镜像重构，使得不同的导航信号在模拟基带互为镜像，从而实现多种导航信号的并行接收；

4)将接收到的各模式信号转换为数字信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)包括各种导航模式信号的射频信号通过天线接收，然后通过表面声波滤波器抑制带外干扰信号。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)接收到的射频信号向后输出至与天线匹配的宽带低噪声放大器，用于抑制噪声。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)射频前端包括一个频率综合器和混频器电路。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)根据导航信号的频谱关系，频率综合器将本振信号频率设定为不同导航信号的中心频率，所有的导航信号都进行下变频，实现互为镜像。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)I/Q两路信号相位有交换，则其有用信号和镜像信号将发生交换。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)采用模数转换电路将射频信号转换为数字信号。

8.一种面向下一代卫星导航系统多模并行射频接收装置，其特征在于，包括一个射频前端，所述射频前端连接镜像抑制接收机；所述镜像抑制接收机结构分为I/Q两路；I/Q两路上都包括一个复数滤波器，在复数滤波器实现镜像复用和镜像重构。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述复数滤波器包括多个滤波单元，利用有源RC结构，采用数字控制的电阻和电容阵列实现多种带宽模式的粗调和细调。

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