CN102231636B

CN102231636B - 一种接收机射频前端装置及其接收信号方法

Info

Publication number: CN102231636B
Application number: CN201110166752.1A
Authority: CN
Inventors: 池保勇; 祁楠; 徐阳; 俞小宝; 叙阳; 张星; 王志华
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2011-06-21
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2031-06-21
Also published as: CN102231636A

Abstract

本发明公开了属于无线通信和卫星定位导航领域的一种接收机射频前端装置及其接收信号方法，该装置具备两条并行且相互独立的信号通道，每条通道的连接关系如下：低噪声放大器、声表滤波器、射频放大器、正交输出下变频器、校准缓冲器和多模式滤波器串联连接，多模式滤波器输出端连接可控增益放大器输入端；可控增益放大器的输出端分别连接自动增益控制器的输入端和多模式模拟/数字转换器输入端，自动增益控制器的输出端连接可控增益放大器的增益控制端；本发明的有益效果为：射频前端装置具备系统级和模块级的可重构性，最大限度的提供了对现存各种卫星定位系统的支持，并大幅度的提升了用户使用中的灵活度。射频前端装置具有很强的鲁棒性。

Description

一种接收机射频前端装置及其接收信号方法

技术领域

本发明属于无线通信和卫星定位导航领域，特别涉及一种接收机射频前端装置及其接收信号方法。

背景技术

自从上世纪90年代美国的全球定位系统（GPS）组建完成以来，卫星定位导航技术在军事、航天航空、科学探测、民用交通等领域得到广泛应用。与此同时，各国为摆脱技术依赖并针对本国应用优化，纷纷加快步伐研发基于本国或本地区服务的卫星导航系统。这其中包括俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）全球导航卫星系统，欧盟的伽利略（Galileo）定位系统以及中国的北斗（BEIDOU或Compass）卫星导航系统。以中国的北斗卫星导航系统为例，随着卫星数目的不断增多，整个系统将在近几年内完成组网并对普通用户开放服务，因此相关定位和导航服务将具有非常广阔的应用和市场。

导航用接收机专用芯片可集成于专用接收装置和通用便携设备中，作为用户终端接收卫星信息；其中的射频前端装置直接决定了接收机的性能，是其中最为核心的模块。射频前端装置多被制作成单独芯片，并与另外的数字基带芯片联合使用组成整个导航用接收机。同时接收两个不同频段导航信号（例如GPS L1波段和L2波段）可以抵消地球电离层等引入的误差，从而提高定位精度；针对此目的而特殊设计的接收机称为双频接收机，而其中主要的技术难点在于双频接收机射频前端装置的设计和实现。

目前尚未出现能够同时兼容GPS L1、L2和L5波段，Galileo E1、E5a和E5b，GLONASS L1和L2，北斗二代B1、B2和B3全部波段的高精度双频接收机射频前端装置。由于上述导航信号频率、带宽等各不相同，因此对于导航信号的兼容性差异将给射频前端电路本身设计难度带来实质性的不同。

现有的射频前端装置（如中国专利CN101198160A）使用单通道时分复用的方法接收双频导航信号，但受限于本身结构仍存在若干难于解决的问题。首先，由于不同频率、带宽的导航信号共用同一射频前端电路，为了满足各自需求，就必须使其部分电路始终覆盖所有导航信号的频段，并且无失真地处理其中最大带宽信号。这使得接收机噪声系数较高，从而无法实现高灵敏度接收；另外，造成硬件资源和功耗在接收低频率低带宽信号时的浪费。最后，根据其实施方式中的描述，该系统同时接收多个（例如两个）频段导航信号时，将以至少2倍于采样频率的速度对射频前端多个模块工作模式进行切换，这将限制能够处理的导航信号带宽即接收机精度，并且由此产生了巨大功耗。

现有的双频接收机射频前端装置（如中国专利CN101915932A）采用双通道超外差结构同时接收两路导航信号，由于其双通道仅是将单个通道简单复制两份得到；并且分别使用两次变频结构，硬件和功耗开销极大。另外，该装置在单个芯片上采用两个频率合成器，产生频率相距很近的射频振荡信号，双通道间的信号串扰将非常严重，使得接收机的灵敏度降低，进而接收精度下降。

发明内容

本发明公开了一种接收机射频前端装置及其接收信号方法。具体技术方案如下：

一种接收机射频前端装置具备两条并行且相互独立的信号通道，其中每条通道具备完整的从射频到模拟中频的信号处理路径；每条信号通道的连接关系如下：

低噪声放大器、声表滤波器、射频放大器、正交输出下变频器、校准缓冲器和多模式滤波器串联连接，多模式滤波器输出端连接可控增益放大器输入端；可控增益放大器的输出端分别连接自动增益控制器的输入端和多模式模拟/数字转换器输入端，自动增益控制器的输出端连接可控增益放大器的增益控制端；

所述接收机射频前端装置还包含频率合成器、电源管理模块、时钟产生器和数字逻辑控制器各一个，它们的连接关系如下：

电源管理模块分别与芯片上所有的电子器件连接；频率合成器四个输出端分别连接两条信号通道的正交输出下变频器的本地振荡信号输入端；时钟产生器的三个输出端分别连接多模式滤波器的调谐校准部分参考时钟输入端、多模式模拟/数字转换器的采样时钟输入端和数字逻辑控制器的参考时钟输入端；数字逻辑控制器对外接口为标准4线串行接口，包括SDI、SDO、SCK和CS，连接到位于信号通道外的微控制器，其对内接口为多个8位寄存器输出，直接连接芯片上所有的电子器件。

所述电源管理模块内部的连接关系如下：直流电压转换器的输入端连接外部电源，其输出端连接电源管理模块内部各低压差线性稳压器的输入端；各低压差线性稳压器的输出端连接芯片上所有的电子器件的局部电源；带隙基准源自偏置产生参考电流和电压，因此没有输入端，其输出端接连芯片上所有的电子器件的参考电压、电流输入端。

一种接收机射频前端装置的接收信号方法包括以下步骤：

1）接收机射频前端装置通过通道外部天线接收GNSS信号，然后将其输入至低噪声放大器，信号经过放大后由低噪声放大器输出；

2）低噪声放大器输出信号通过声表滤波器来滤除频带外干扰；

3）滤波之后的射频信号进入射频放大器进行进一步放大，同时将单端信号转变为双相差分信号；

4）频率合成器产生相位为0°、90°、180°和270°的本地振荡信号，其中LO1_I或LO2_I代表某时刻瞬时相位为0°和180°的一对差分信号，而LO1_Q或LO2_Q代表同一时刻瞬时相位为90°和270°的一对差分信号，然后将本地振荡信号输出至正交输出下变频器中；

5）双相差分信号进入正交输出下变频器并与频率合成器提供的本地振荡信号混频，输出为彼此相位相差90°的四相正交中频信号；

6）四相正交中频信号分作I、Q两条支路，将其中相位隔180°的两相信号作为一条支路，将其余的两相信号作为另一条支路，四相正交中频信号输入至校准缓冲器，校准缓冲器校正四相正交中频信号间的相位失配和幅度失配并且隔离正交输出下变频器输出和多模式滤波器输入；

7）校准缓冲器输出的中频信号进入多模式滤波器进行滤波处理后，转换为双支路差分信号，多模式滤波器采用电容耦合并选择其截止频率；

8）多模式滤波器输出的中频信号进入可控增益放大器进行放大，其幅值受自动增益控制器环路的控制，多模式模拟/数字转换器维持在输入满量程状态，将输入的模拟中频信号转换为数字信号，最后将数字信号输送至芯片外。

所述接收机射频前端装置使用双通道并行接收双频GNSS信号，通过使用双通道中任一条通道并关闭其另一条通道来接收单频GNSS信号。

所述接收机射频前端装置实现了低中频结构和零中频结构的片上实时切换；本装置优先采用低中频结构，但至少一个通道的中频信号的中心频率高于20MHz并且带宽大于10MHz时，射频前端装置转而采用零中频结构。

所述实现低中频结构和零中频结构的片上实时切换是通过将频率合成器的本地振荡信号频率配置到与GNSS信号中心频率相等、将带通滤波器配置成低通滤波器、降低中频部分放大器带宽和调整各级间耦合部分的通频带截止频率值来实现。

所述接收机射频前端装置共用一个频率合成器提供的同一本地振荡信号进行下变频；

当双频输入信号中心频率之差大于两者带宽之和一半时，本地振荡信号频率选择在两者频率之间；而当双频输入信号中心频率之差小于两者带宽之和一半时，本地振荡信号频率选择在低于或等于较低频率输入射频信号处，其中低中频模式下本地振荡信号低于较低频率射频输入信号，且留出一半较宽带宽的余量，而零中频模式下本地振荡信号则选择与较低射频输入同频率处。

对于进入多模式模拟/数字转换器进行模数转换的中频信号采用下面两种方式进行采样：

1）当中频信号的中心频率大于20MHz且

f_L≥(f_H-f_L)＝B

时，采取欠采样方式进行采样，即选择采样频率f_S在f_H和2f_L之间，上式中，f_H和f_L分别指上述中频信号所占频带的最高频率和最低频率，B是信号占用的频带宽度；

2）当中频信号不满足上述条件时，采取奈奎斯特采样方式，即选择采样频率f_S大于上述中频信号所占频带的最高频率的2.2倍。

所述低噪声放大器采用电感电容型窄带宽选频网络负载，其噪声系数比宽带放大器低3dB以上，它能够滤除带外干扰并且具备中心频率可配置和功率增益可配置的特性；其中心频率随输入信号频率的变化而调整，保证其覆盖全部GNSS信号频率点；针对有不同增益的外置天线，低噪声放大器调节自身增益为0dB、10dB或20dB，保证两通道内部所有的电子器件都未进入饱和状态。

所述多模式滤波器具有类型、中心频率和通频带带宽可重构的特性；其中的类型可重构是指在射频前端装置为低中频结构模式时，多模式滤波器配置成复数带通滤波器；而在射频前端装置为零中频结构模式时，多模式滤波器配置成低阶低通滤波器；

多模式滤波器具备片上自调谐功能，通过调整器件参数来校正其通频带的中心频率和带宽。

低中频结构模式下，复数带通滤波器可利用正交信号抑制变频产生的镜像信号干扰。

所述多模式模拟/数字转换器具备2-4位精度可重构特性；当双通道并行工作时，每条通道内多模式模拟/数字转换器配置为2位精度输出，其中包含1位符号输出和1位幅度输出；当仅单通道工作时，多模式模拟/数字转换器配置为3或4位精度输出，其中包含1位符号输出和2-3位输出。

所述校准缓冲器对相位和幅度失配反向进行补偿，分别将相位失配值和幅度失配值控制在0.1°和0.1dB之内。

所述接收机射频前端装置由电源管理模块提供电源电压，电源管理模块外部提供的电源电压经直流电压转换器和低压差线性稳压器两次转换后，成为各个模块电路所需要的各种电源电压；除此之外，带隙基准源输出抑制温度漂移的电压和电流，作为各模块偏置点基准参考。

本发明的有益效果包括：

1）该装置采用先进的65纳米CMOS工艺单芯片，同时支持窄带宽和宽带高精度卫星信号，可同时接收GPS L1、L2和L5，Galileo E1、E5a和E5b，GLONASS L1和L2，北斗二代B1、B2和B3波段中任意两两组合的高精度双频卫星定位信号，从而减小误差特别是抵消电离层延时误差，也可简化为接收其中单独任一种卫星定位信号，从而节省约45%的能耗。该装置可广泛应用于科学测绘定位、车船交通导航以及个人便携多媒体等多个领域。

2）本发明所述射频前端装置支持通过外部有源天线或无源天线接收卫星定位信号。

3）本发明中射频前端装置具备系统级和模块级的可重构性，最大限度的提供了对现存各种卫星定位系统的支持，并大幅度的提升了用户使用中的灵活度。对于高精度应用的需求，用户可以调动射频前端所有硬件资源和最大能耗，达到性能最大化；而在低精度应用中，部分模块则可配制成低强度工作状态，甚至部分模块进入休眠状态，实现能耗最小化。

4）本发明射频前端装置具有很强的鲁棒性，可以在制备和使用环境发生变化的情况下，仍保持正常工作。主要表现为：该装置集成具有可调谐功能的滤波器，通过片上调整内部器件数值校正由工艺偏差和温度漂移等因素引入的通频带中心点和宽度的变化；同时集成校准缓冲器，也可通过片上调节，减小制备和使用过程中引入的正交信号间相位和幅度的失配。除此之外，各具体模块的可重构性仍允许用户通过调整其工作模式，维持芯片工作在最佳状态。

5）本发明射频前端装置中两并行通道共用同一频率合成器，一方面，避免了单芯片内多个本地振荡信号之间的互相干扰，有利于降低接收机噪声系数并提高灵敏度；另一方面，相比每一通道配置单独频率合成器的结构，节省了约一半的频率合成器芯片面积和功耗。

附图说明

图1为接收机射频前端装置系统框图；

图2为频率合成器模块原理框图；

图3为时钟产生器原理框图；

图4为电源管理模块原理框图；

图5a为模式一优先采用低中频模式时的频率规划原理图；

图5b为模式一转而采用零中频模式时的频率规划原理图；

图5c为模式二变频方式和频率规划原理图；

图5d为模式三变频方式和频率规划原理图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合附图对发明中所述双频多模可重构的射频前端装置实施方式进一步详细描述。

如图1所示为接收机射频前端装置系统框图，虚线框包含的区域表示两条独立通道，整个装置集成在单个芯片上，并用粗线框包含的区域表示。双通道可同时工作以接收两种不同频率的卫星定位信号；也可以完全关闭其中一条通道来接收单频卫星定位信号，此时装置节省约45%的能耗。

所述接收机射频前端装置具备两条并行且相互独立的信号通道，其中每条通道具备完整的从射频到模拟中频的信号处理路径；每条信号通道的连接关系如下：

低噪声放大器放置在信号通道的第一级，输入端连接通道外部天线，低噪声放大器、声表滤波器（或直通电容）、射频放大器、正交输出下变频器、校准缓冲器和多模式滤波器串联连接，多模式滤波器输出端连接可控增益放大器输入端；可控增益放大器的输出端分别连接自动增益控制器的输入端和多模式模拟/数字转换器输入端，自动增益控制器的输出端连接可控增益放大器的增益控制端，自动增益控制器和可控增益放大器形成局部反馈回路；

所述接收机射频前端装置还包含频率合成器、电源管理模块、时钟产生器和数字逻辑控制器各一个，并提供给两条信号通路共同使用，连接关系如下：

电源管理模块分别与芯片上所有的电子器件连接；频率合成器四个输出端分别连接两条信号通道的正交输出下变频器的本地振荡信号输入端；时钟产生器的三个输出端分别连接多模式滤波器的调谐校准部分参考时钟输入端、多模式模拟/数字转换器的采样时钟输入端和数字逻辑控制器的参考时钟输入端；数字逻辑控制器对外接口为标准4线串行接口，包括SDI、SDO、SCK和CS，连接到位于信号通道外的微控制器，对内接口为多个8位寄存器输出，直接连接芯片上所有的电子器件。

如图2所示，频率合成器采用分数型锁相环结构，用来提供所述正交输出下变频器所需的本地振荡信号。它的工作原理为：第一鉴频鉴相器-电荷泵包含两个输入信号：参考频率信号和反馈比较信号，其中参考频率信号由外部晶体振荡器提供，而反馈比较信号由分频器输出提供。第一鉴频鉴相器-电荷泵的输出电流信号经过第一环路滤波器转换为电压信号，并输出给第一压控振荡器，第一压控振荡器振荡在2倍于所需频率处，通过第一压控振荡器控制其振荡频率值。其中第一压控振荡器振荡在2倍于所需频率处，经过第一除2分频器后输出四相正交信号，交由驱动器提高驱动能力后输出给芯片内其他模块使用。与此同时，上述分频后的信号取0°和180°两相再次经第二除2分频器分频，并输出给差分/单端转换器将两相信号合并成一相；此信号下一步输出给分频器，在调制器的控制下以一定的比例进行再次分频，分频后的信号作为上述反馈比较信号输出给第一鉴频鉴相器-电荷泵。

如图3所示，时钟产生器为整数型锁相环结构，用来提供多模式模拟/数字转换器的采样参考时钟、多模式滤波器校准时钟和数字逻辑控制器时钟。它的工作原理为：芯片外晶体振荡器提供的参考时钟首先经过除R分频器（R的具体数值由数字逻辑部分配置）分频后分为两条支路，一条支路经过除M1分频器（M1具体数值由数字逻辑部分配置）分频后，通过第一缓冲器增加驱动能力后作为滤波器的校准时钟输出；另一支路输入第二鉴频鉴相器-电荷泵作为锁相环路的参考时钟。第二鉴频鉴相器-电荷泵的输出的一系列电流脉冲进入第二环路滤波器转化为第二压控振荡器的谐振频率；第二压控振荡器的输出分两路，其中一路输出给多路选择器，在数字逻辑控制器的控制下选择是否作为输出。当多路选择器处于选中状态时将继而分成两支路：一条经过第二缓冲器后输出给多模式模拟/数字转换器作为采样时钟；另一路经过除M2分频器（M2具体数值由数字逻辑部分配置）分频后，并经过第三缓冲器输出后作为数字逻辑控制器时钟。与此同时，经第二压控振荡器输出的另一条分支路作为除N分频器（N具体数值由数字逻辑部分配置）的输入，并在分频后反馈回第二鉴频鉴相器-电荷泵作为其第二输入，用来与参考时钟频率做比。

如图4所示，电源管理模块内部的连接关系如下：直流电压转换器的输入端连接外部电源，其输出端连接各低压差线性稳压器的输入端；各低压差线性稳压器的输出端连接芯片上所有的电子器件的局部电源；带隙基准源自偏置产生电流和电压，因此没有输入端，其输出端接连芯片上所有的电子器件的参考电压、电流输入端。

一种接收机射频前端装置的接收信号方法包括以下步骤：

5）双相差分信号进入正交输出下变频器并与频率合成器提供的本地振荡信号混频，输出为彼此相位相差90°的四相正交中频信号。

8）多模式滤波器输出的中频信号进入可控增益放大器进行放大，其幅值受自动增益控制器环路的控制，多模式模拟/数字转换器维持在输入满量程状态，将输入的模拟中频信号转换为数字信号，最后将数字信号输送至芯片外，从而计算用户当前位置和获取导航服务信息。

所述接收机射频前端装置能够实现低中频结构和零中频结构的片上实时切换；本装置优先采用低中频结构，但至少一个通道的中频信号的中心频率高于20MHz并且带宽大于10MHz时，本射频前端装置转而采用零中频结构，从而缓解了多模式滤波器和可控增益放大器的性能需求压力，并降低了采样频率和相应能耗。

通过将频率合成器的本地振荡信号频率配置到与GNSS信号中心频率相等、将带通滤波器配置成低通滤波器、降低中频部分放大器带宽和调整各级间耦合部分的通频带截止频率值实现低中频结构和零中频结构的片上实时切换。

所述接收机射频前端装置共用一个频率合成器提供的同一本地振荡信号进行下变频，可同时为两通道或其中任一单通道提供单频率的本地振荡信号。根据不同模式需求，本地振荡信号频率选择在双频输入信号两频率中间或同侧，以保证下变频后信号具有合理的中心频率。具体来说，当双频输入信号中心频率之差大于两者带宽之和一半时（带宽指信号带宽和中频处理带宽的较大者），本地振荡信号频率选择两者频率之间（优先选择在两者频率间的中点，使得变频后两路中频信号的中心频率均位于两者射频频率之差的一半处，此时本地振荡信号频率也可选择两者频率间的其它处）；而当双频输入信号中心频率之差小于两者带宽之和一半时（带宽指信号带宽和中频处理带宽的较大者），本地振荡信号频率选择在低于或等于较低频率输入射频信号处，其中低中频模式下本地振荡信号低于较低频率射频输入信号，且留出一半较宽带宽的余量，而零中频模式下本地振荡信号则选择与较低射频输入同频率处。

本发明射频前端装置中两并行通道共用同一频率合成器（频率合成器从芯片外晶体振荡器获取参考时钟，并外接低通滤波器），一方面，避免了单芯片内多个本地振荡信号之间的互相干扰，有利于降低接收机噪声系数并提高灵敏度；另一方面，相比每一通道配置单独频率合成器的结构，节省了约一半的频率合成器芯片面积和功耗。

1）当中频信号的中心频率大于20MHz且

f_L≥(f_H-f_L)＝B

时，采取欠采样方式进行采样，即选择采样频率f_S在f_H和2f_L之间，欠采样是在避免频谱混叠的前提下以较低的频率采样，但仍保留原信号足够多的信息不丢失。上式中，f_H和f_L分别指上述中频信号所占频带的最高频率和最低频率，B是信号占用的频带宽度；

低噪声放大器采用电感电容型窄带宽选频网络负载，能够滤除带外干扰并且低噪声放大器的噪声系数比宽带放大器低3dB以上，并且具备中心频率可配置和功率增益可配置的特性；其中心频率随输入信号频率的变化而调整，保证其能够覆盖全部GNSS信号频率点；针对有不同增益的外置天线，低噪声放大器调节自身增益为0dB、10dB或20dB，保证外部使用各种天线时两通道内部所有的电子器件都未进入饱和状态。

多模式滤波器具有类型、中心频率和通频带带宽可重构的特性；其中的类型可重构是指在射频前端装置为低中频结构模式时，多模式滤波器配置成复数带通滤波器，用来抑制信号频带外干扰，提高镜像信号抑制比；而在射频前端装置为零中频结构模式时，多模式滤波器配置成低阶低通滤波器，只抑制高于信号所占频率的干扰，由于低通滤波器缩减了内部同时工作的运算放大器数量，因此可以大幅度降低自身能耗。

中心频率和通频带带宽可重构是指：首先，针对不同频率特性的卫星定位信号，多模式滤波器可随之调整通频带的中心频点和带宽，以最小的能耗代价对信号进行滤波并保证信号不发生失真；其次，由于在芯片制造和使用的过程中，温度变化、制造工艺偏差等非理想因素都会导致电容、电阻等器件值的漂移，进而导致多模式滤波器通频带的变化，使得信号在通过滤波器时丢失信息或产生失真。多模式滤波器能够通过片上自调谐动态地调整内部电路中器件参数以校正其通频带的中心频率点和带宽，从而抑制非理想因素的影响，保证射频前端装置在各种环境下的鲁棒性。

多模式模拟/数字转换器具备2-4位精度可重构特性；当双通道并行工作时，每条通道内多模式模拟/数字转换器配置为2位精度输出，其中包含1位符号输出和1位幅度输出；当仅单通道工作时，多模式模拟/数字转换器配置为3或4位精度输出，其中包含1位符号输出和2-3位输出。更高的输出精度可提供更高的信号分辨率，但同时需要更大的能耗作为代价，因此信号转换分辨率和能耗之间存在折中关系。

本发明所述射频前端装置包含正交输出下变频器以及对正交输出信号进行相位和幅度校准的缓冲器。所述正交输出信号是指四个频率和幅度均相等的信号，若设任意时刻其中一个信号的瞬时相位值为δ，则剩余三个信号的相位分别为δ+90°、δ+180°和δ+270°。如果相位之差偏离90°（或其整数倍），则称之为产生相位失配；如果信号之间幅度不相等，则称之为产生幅度失配。相位和幅度失配将造成镜像频率抑制度的降低，继而使得噪声增大而接收机的灵敏度降低。为得到足够的抑制度，本发明射频前端装置在下变频器之后添加校准缓冲器，当产生相位或幅度失配时反向进行补偿，将相位失配值控制在0.1°以及幅度失配值0.1dB之内，由此计算得到镜像抑制度高于30dB。

电源管理模块采用低压差线性稳压器和直流电压转换器相结合的电源管理方式，为射频前端装置内部各模块提供电源、参考电压和电流。外部提供的较高电压电源首先经过高效率的直流电压转换器转变为较低的、且各不相等的局部电源电压，然后由低压差线性稳压器转换为各个模块电路所需要的各种电源电压，这样可以最大程度的降低系统功耗，并降低芯片与外部封装之间键合线对系统性能的影响；除此之外，带隙基准源能够输出抑制温度漂移的电压和电流，作为各模块偏置点基准参考，提供对温度变化不敏感的参考电压、电流。

数字逻辑控制器负责配置和保存射频前端装置各模块的工作模式，以及控制部分与外部微控制器的信息交互。

射频前端装置采用单频率合成器供给两通道下变频本地振荡信号（LO），并通过灵活的变频方式和频率规划获得易处理的中频信号（。下面分别以GPS L2+GLONASS L2（简称模式一）、GPS L2+BD2（北斗二代）B2（简称模式二）和GPS L1+GLONASS L1（简称模式三）三种双频工作模式为例解释其工作原理。

上述模式一，如图5a所示，所涉及两种信号分别为第一通道GPSL2——中心频率为1227.6MHz，信号带宽为20.46MHz，中频处理带宽为18MHz；第二通道GLONASS L2——中心频率为1246MHz，信号带宽为15.9075MHz，中频处理带宽为18MHz。两通道的带宽均为信号带宽和中频处理带宽中的较大者，分别为20.46MHz和18MHz，按此计算，两通道输入的信号中心频率之差小于两者带宽之和一半，本装置优先采用低中频结构，此时本地振荡信号频率选择低于较低频率射频输入信号，且留出一半较宽带宽的余量（1217.37MHz），此时，本模式第二通道中频信号的频率为28.63MHz（大于20MHz），带宽为15.9075MHz（大于10MHz），射频前端装置采用零中频结构，如图5b所示,因此本地振荡信号频率选择与较低射频输入同频率处，即1227.6MHz。设置第一通道的滤波器的中心频率为0MHz，带宽为18MHz，设置第二通道的滤波器的中心频率为18.4MHz，带宽为18MHz；最终得到第一通道的中频信号的中心频率为0MHz，带宽为18MHz和第二通道的中频信号的中心频率为18.4MHz，带宽为15.9075MHz。两个通道的中频信号中心频率均小于20MHz，因此采用奈奎斯特采样方法，即选择采样频率fS大于上述中频信号所占频带的最高频率的2.2倍。

上述模式二，如图5b所示，所涉及两种信号分别为第一通道GPSL2——中心频率1227.6MHz，信号带宽20.46MHz，中频处理带宽为18MHz；第二通道北斗二代B2——中心频率1207.14MHz，信号带宽4.092MHz，中频处理带宽为4.2MHz。两通道的带宽均在信号带宽和中频处理带宽中选择较大者，分别为20.46MHz和4.2MHz，按此计算，两通道输入的信号中心频率之差大于两者带宽之和一半，本地振荡信号频率选择在两者频率间的中点：1217.37MHz。设置第一通道的滤波器的中心频率为10.23MHz，带宽为18MHz，设置第二通道的滤波器的中心频率-10.23MHz，带宽为4.2MHz；最终得到第一通道的中频信号的中心频率为10.23MHz，带宽为18MHz和第二通道的中频信号的中心频率为-10.23MHz，带宽为4.092MHz。两个通道的中频信号中心频率的最低频率（1.23MHz和-12.276）均小于各自的带宽，因此采用奈奎斯特采样方法。采样频率选择两通道中频信号所占频率的最高频率的2.2倍以上，具体来说本例取为42.3MHz以上即可。

上述模式三，如图5c所示，所涉及两种信号分别为第一通道GPSL1——中心频率1575.42MHz，信号带宽为2.046MHz，中频处理带宽为2.2MHz；第二通道GLONASS L1——中心频率1602MHz，信号带宽为8.897MHz，中频处理带宽为10MHz。两通道的带宽均在信号带宽和中频处理带宽中选择较大者，分别为2.2MHz和10MHz，按此计算，两通道输入的信号中心频率之差大于两者带宽之和一半，本地振荡信号频率选择在两者频率之间（1581.558MHz）；设置第一通道的滤波器的中心频率为-6.138MHz，带宽为2.2MHz，设置第二通道的滤波器的中心频率为20.442MHz，带宽为10MHz；最终得到第一通道的中频信号的中心频率为-6.138MHz，带宽为2.046MHz和第二通道的中频信号的中心频率为20.442MHz，带宽为8.897MHz。其中第一通道的中频信号的中心频率小于20MHz，因此采用奈奎斯特采样方法，采样频率选择两通道中频信号所占频率的最高频率的2.2倍以上；而第二通道中频信号的中心频率大于20MHz并且其最低频率（15.442MHz）大于信号带宽，因此选择采用欠采样方式，此时，采样频率f_s选择在在f_H和2f_L之间；（f_H和f_L分别指上述中频信号所占频带的最高频率和最低频率值）。具体到本例f_s选择在25.442MHz和30.884MHz之间。

Claims

1.一种接收机射频前端装置，其特征在于，具备两条并行且相互独立的信号通道，其中每条通道具备完整的从射频到模拟中频的信号处理路径；每条信号通道的连接关系如下：

所述装置还包含频率合成器、电源管理模块、时钟产生器和数字逻辑控制器各一个，它们的连接关系如下：

电源管理模块分别与芯片上所有的电子器件连接；频率合成器四个输出端分别连接两条信号通道的正交输出下变频器的本地振荡信号输入端；时钟产生器的三个输出端分别连接多模式滤波器的调谐校准部分参考时钟输入端、多模式模拟/数字转换器的采样时钟输入端和数字逻辑控制器的参考时钟输入端；数字逻辑控制器对外接口为标准4线串行接口，包括SDI、SDO、SCK和CS，连接到位于信号通道外的微控制器，其对内接口为多个8位寄存器输出，直接连接接收机射频前端装置中的各个模块；

所述电源管理模块内部的连接关系如下：直流电压转换器的输入端连接外部电源，其输出端连接电源管理模块内部各低压差线性稳压器的输入端；各低压差线性稳压器的输出端连接接收机射频前端装置中的其它模块的局部电源；带隙基准源自偏置产生参考电流和电压，因此没有输入端，带隙基准源输出端接连芯片上所有的电子器件的参考电压、电流输入端。

2.一种接收机射频前端装置的接收信号方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）接收机射频前端装置通过通道外部天线接收全球卫星导航系统（GNSS）信号，然后将其输入至低噪声放大器，信号经过放大后由低噪声放大器输出；

3.根据权利要求2所述的一种接收机射频前端装置的接收信号方法，其特征在于，所述接收机射频前端装置使用双通道并行接收双频全球卫星导航系统（GNSS）信号，通过使用双通道中任一条通道并关闭其另一条通道来接收单频全球卫星导航系统（GNSS）信号。

4.根据权利要求2所述的一种接收机射频前端装置的接收信号方法，其特征在于，所述接收机射频前端装置实现了低中频结构和零中频结构的片上实时切换；本装置采用低中频结构，但至少一个通道的中频信号的中心频率高于20MHz并且带宽大于10MHz时，射频前端装置转而采用零中频结构。

5.根据权利要求4所述的一种接收机射频前端装置的接收信号方法，其特征在于，所述实现低中频结构和零中频结构的片上实时切换是通过将频率合成器的本地振荡信号频率配置到与全球卫星导航系统（GNSS）信号中心频率相等、将带通滤波器配置成低通滤波器、降低中频部分放大器带宽和调整各级间耦合部分的通频带截止频率值来实现。

6.根据权利要求2所述的一种接收机射频前端装置的接收信号方法，其特征在于，所述接收机射频前端装置共用一个频率合成器提供的同一本地振荡信号进行下变频；

7.根据权利要求2所述的一种接收机射频前端装置的接收信号方法，其特征在于，所述接收机射频前端装置对于进入多模式模拟/数字转换器进行模数转换的中频信号采用下面两种方式进行采样：

1）当中频信号的中心频率大于20MHz且

f_L≥(f_H-f_L)＝B

8.根据权利要求2所述的一种接收机射频前端装置的接收信号方法，其特征在于，所述低噪声放大器采用电感电容型窄带宽选频网络负载，其噪声系数比宽带放大器低3dB以上，它能够滤除带外干扰并且具备中心频率可配置和功率增益可配置的特性；其中心频率随输入信号频率的变化而调整，保证其覆盖全部全球卫星导航系统（GNSS）信号频率点；针对有不同增益的外置天线，低噪声放大器调节自身增益为0dB、10dB或20dB，保证两通道内部所有的电子器件都未进入饱和状态。

9.根据权利要求2所述的一种接收机射频前端装置的接收信号方法，其特征在于，所述多模式滤波器具有类型、中心频率和通频带带宽可重构的特性；其中的类型可重构是指在射频前端装置为低中频结构模式时，多模式滤波器配置成复数带通滤波器；而在射频前端装置为零中频结构模式时，多模式滤波器配置成低阶低通滤波器；

10.根据权利要求9所述的一种接收机射频前端装置的接收信号方法，其特征在于，所述复数带通滤波器利用正交信号抑制变频产生的镜像信号干扰。

11.根据权利要求2所述的一种接收机射频前端装置的接收信号方法，其特征在于，所述多模式模拟/数字转换器具备2-4位精度可重构特性；当双通道并行工作时，每条通道内多模式模拟/数字转换器配置为2位精度输出，其中包含1位符号输出和1位幅度输出；当仅单通道工作时，多模式模拟/数字转换器配置为3或4位精度输出，其中包含1位符号输出和2或3位幅度输出。

12.根据权利要求2所述的一种接收机射频前端装置的接收信号方法，其特征在于，所述校准缓冲器对相位和幅度失配反向进行补偿，分别将相位失配值和幅度失配值控制在0.1°和0.1dB之内。

13.根据权利要求2所述的一种接收机射频前端装置的接收信号方法，其特征在于，所述接收机射频前端装置由电源管理模块提供电源电压，电源管理模块外部提供的电源电压经直流电压转换器和低压差线性稳压器两次转换后，成为各个电子器件所需要的电源电压；除此之外，带隙基准源输出抑制温度漂移的电压和电流，作为各模块偏置点基准参考。