CN102427366B - 精确合成北斗终端模块多个频率源的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了精确合成北斗终端模块多个频率源的装置和方法，属于北斗定位系统中的频率合成技术领域，本发明使用22MHz的温补高稳定电调晶体振荡器(TCVCXO)，可以实现精确合成北斗终端内的射频发射机和接收机两个本振频率(1615.68MHz和863.83MHz)，获得良好的相位噪声；再使用超小封装的数字频率合成芯片合成基带采样使用的参考频率源(48.96MHz)。
Description
技术领域
本发明属于北斗定位系统中的频率合成技术领域，具体涉及北斗终端的频率源的产生方法。
背景技术
现有的北斗定位系统的终端中，大多使用16.32MHz的参考时钟，来合成终端系统中的频率源，如果用16.32MHz精确合成所需的本振频率1615.68MHz和863.83MHz，在合成863.83MHz时就会带来一个问题，就是此时鉴相频率很低最高只有10KHz，而如此低的鉴相频率使得合成出的863.83MHz本振频率源的相位噪声很差。严重影响系统的信号质量。
另外方法就是合成一个863.84MHz频率源，即偏离了理论值10KHz，由于该方法合成产生的频率源不够精确，与理论值有一定的偏差，此方法所带来的问题是增加基带系统的处理复杂度，要求基带必须要处理10KHz的频率偏差。
发明内容
本发明针对现有的北斗定位系统的终端中合成的频率源所存在的鉴相频率很低或频率源不够精确，与理论值有一定偏差等问题，而提供一种能够精确合成北斗终端模块多个频率源的装置以及基于该装置实施的合成方法。本发明能够可以实现精确合成北斗终端内的射频发射机和接收机两个本振频率（1615.68MHz和863.83MHz），获得良好的相位噪声；再使用超小封装的数字频率合成芯片合成基带采样使用的参考频率源（48.96MHz）。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
精确合成北斗终端模块多个频率源的装置，该装置包括合成北斗终端内射频发射机和接收机使用的本振频率的本振频率合成单元以及基带参考时钟合成单元，所述装置还包括22MHz高稳定温补电调晶体振荡器，所述22MHz高稳定温补电调晶体振荡器分别与本振频率合成单元和基带参考时钟合成单元电连接，并作为本振频率合成单元和基带参考时钟合成单元合成时的参考时钟。
上述方案的优选方案中，所述本振频率合成单元由超小型封装芯片Si4133组成。
进一步的，所述基带参考时钟合成单元由超小封装芯片CY22U1组成。
在上述方案的基础上，本发明提供的精确合成北斗终端模块多个频率源的方法，该方法为利用22MHz高稳定温补电调晶体振荡器为北斗终端模块频率源合成时的参考时钟。
进一步的，所述斗终端模块频率源包括第一本振频率1615.68MHz和第二本振频率863.83MHz，在合成第一本振频率1615.68MHz时，选择880K或440K或220K或110KHz作为鉴相频率，此时射频分频器的分频比N对应为1836、3672、7344、14688，使用25、50、100、或200作为参考频率的分频比；在合成第二本振频率863.83MHz时，选择110KHz或55KHz作为鉴相频率，此时中频分频器的分频比N对应为7853、15706，使用200或400作为参考频率的分频比。进一步的，由超小封装芯片CY22U1以22MHz高稳定温补电调晶体振荡器为参考时钟合成基带处理用的参考时钟48.96MHz。
本发明使用22MHz高稳定温补电调晶体振荡器(TCVCXO)作为频率合成器的参考时钟，可以实现：
1．可以无偏差精确合成F1（1615.68MHz）和F2（863.83MHz），分别使用880KHz(或440KHz,或220KHz或110KHz)作为第一本振合成的鉴相频率，和110KHz作为第二本振合成的鉴相频率。
2．由于鉴相频率比较高，因此可以获得优良的相位噪声，经过实测已经达到或优于：
-80dBc/Hz1KHz offset；
-90dBc/Hz10KHz offset；
-100dBc/Hz100KHz offset。
3．这样可以使用类似Si4133等超小型封装，价格低廉的频率合成器芯片，从而达到缩小空间，节省成本的目的。
4．这样可以使用类似CY22U1等超小封装，价格低廉的数字频率合成器，可以无偏差精确合成基带处理用的参考时钟F4（48.96MHz），从而帮助缩小空间，节省成本。
从而帮助实现北斗定位系统的终端设备小型化，成本降低，信号质量改善，基带处理可以简单化，同时也节省了功耗。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本发明方案的示意图。
图2为利用本发明的北斗定位系统终端射频的收发信机模块的基本工作原理图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1，针对北斗射频收发信机的接收和发射共用一个本振频率RF_LOF1(1615.68MHz)，接收机的第二本振频率IF_LO使用F2（863.83MHz）的频率方案；或北斗单收的接收机使用RF_LO1615.68MHz和IF_LO863.83MHz作为第一和第二本振频率的方案。本发明提供的精确合成北斗终端模块多个频率源的装置主要包括合成北斗终端内射频发射机和接收机使用的本振频率的本振频率合成单元12、基带参考时钟合成单元13以及22MHz高稳定温补电调晶体振荡器14。
其中22MHz高稳定温补电调晶体振荡器14分别与本振频率合成单元12和基带参考时钟合成单元13电连接，并作为本振频率合成单元12和基带参考时钟合成单元13合成时的参考时钟。
基于该方案，本发明可以无偏差精确合成F1（1615.68MHz）和F2（863.83MHz），并分别使用880KHz(或440KHz,或220KHz或110KHz)作为第一本振合成的鉴相频率，和110KHz作为第二本振合成的鉴相频率，其鉴相频率很高。
对于频率合成器来说，相位噪声和频率准确度是非常重要的参数。在选择频率合成方案时鉴相频率的高低会极大的影响相位噪声，锁相环的频率变换原理是：
Fout/N=Fref/R=鉴相频率。
其中，Fout为输出频率，Fref为输入的参考频率，N为输出频率的分频系数，R为输入参考频率的分频系数。
由等式中可以看出鉴相频率是频率合成的关键频率。当上式得到满足时，理论上就可准确合成出想要的输出频率了。
对于本发明中的方案，Fout1=1615.68Mhz，Fref=22Mhz，可以选择880K、440K、220K、110KHz作为鉴相频率，此时的N对应为1836、3672、7344、14688，R对应为25、50、100、200。Fout2=863.83Mhz，Fref=22Mhz，可以选择110KHz、55KHz作为鉴相频率，此时的N对应可用7853、15706，R对应为200、400。
由于用22MHz的高稳定温补电调晶体振荡器作为参考频率时，可以使用的鉴相频率和除法分频器的分频因子所处的范围比较适中。本发明可使用采用超小型封装芯片Si4133来形成本振频率合成单元12。
Si4133是当前业内最小封装的双频内置VCO的锁相环芯片，鉴相频率范围是10KHz～1MHz,RF的除法分频器（18bit）的分频因子N最大可以262144，IF的除法分频器（16bit）的分频因子N最大可以65536。Fref的除法分频器（13bit）的分频因子R最大可以8192.
对应于现有的北斗频率合成方案大多使用16.32MHz的频率作为参考频率，可以准确合成1615.68Mhz。但是在合成863.83MHz时，如果准确合成，所能用的最大鉴相频率只有10KHz，此时N=863.83/0.01=86383，R=16.32/0.01=1632。由此可以看到虽然N和R都在Si4133的参数范围之内，但是鉴相频率10KHz已经是芯片能工作的参数的边缘了。更加重要的是，相位噪声是频率合成器的重要参数。根据理论的公式，鉴相频率对相位噪声影响的因子是20*logN，其中N是输出频率和鉴相频率的比值，N愈大，相位噪声的恶化愈大，反之，相位噪声越好。相比22MHz的做参考频率的方案，用16.32Mhz时N已经增大到11倍，110KHz/10KHz=11。那么相位噪声就会恶化20.8dB（20*log11）。
20dB的恶化是非常可观的。这个恶化带来结果就是系统的信噪比，和误码率的变差。所以使用16.32MHz的频率作为参考频率的方案要想获得较好的相位噪声，是没有办法使用Si4133芯片。
对于基带参考时钟时，现有技术中使用16.32MHz的频率作为参考频率来合成48.96MHz基带参考时钟，一般是使用16.32MHz的3倍频滤波后再放大的方法。倍频、滤波、放大，所带来的是电路复杂化，增加空间的要求。
而在本发明中，采用超小封装芯片CY22U1来形成基带参考时钟合成单元13，CY22U1系列是高精度的数字频率合成芯片。并且使用22MHz的参考时钟，CY22U1芯片可以准确合成48.96MHz基带参考时钟。
由此，基于22MHz的频率使用数字频率合成芯片CY22U1相对于现有技术可以节省倍频，放大等电路的空间，CY22U1只需要1.7mm*1.7mm的空间。
在上述方案的基础上，本发明提供的精确合成北斗终端模块多个频率源的方法，该方法为利用22MHz高稳定温补电调晶体振荡器为北斗终端模块频率源合成时的参考时钟。
根据上述方案得到的本发明的具体实施如下：
参见图2，接收部分
北斗定位系统的卫星信号F1（2491.75MHz±4.08MHz）经由天线10送到高增益低噪声放大器1放大后，再送入第一级变频单元2进行频率变换，其本振频率为F4（1615.68MHz），输出第一中频为F2(876.07MHz)，第一中频在第二级变频单元3中和第二本振频率F5（863.83MHz）混频后输出中频F3（12.24MHz±4.08MHz）。中频F3送给基带处理模块。
发射部分
从基带处理模块来的基带信号经过整形后送入调制器8，在调制器中，使用本振频率F4（1615.68MHz）直接调制到发射频段，再经过功率放大单元9把信号放大，经由天线11发射出去，由卫星来接收。
基带模块需要端射频的收发信机模块提供参考时钟频率F7（48.96MHz）作为采样的频率。
其中，第一本振频率F4和第二本振频率F5是由Silicon Lab公司的Si4133系列的双频率合成器形成的第一本振频率合成单元4和第一本振频率合成单元5产生，所采用的参考时钟F6是22MHz。使用22MHz高稳定温补电调晶体振荡器（TCVCXO）7作为参考可以精确的合成1615.68MHz和863.83MHz。
在合成1615.68MHz时，频率合成器4内的参考分频器可以使用25，50，100，200等分频比，这样可以获得比较高的鉴相频率分别为880KHz，440KHz，220KHz，110KHz等，对应的射频分频比为1836，3672，7344，14688等，从而可以获得相位噪声优良的本振频率输出。
同样对于第二本振频率F5（863.83MHz），频率合成器5内的参考分频器可以使用200，400等分频比，这样可以获得比较高的鉴相频率分别为110KHz，55KHz等，对应的射频分频比为7853,15706等，从而可以获得相位噪声优良的本振频率输出。根据实测结果，以上两个本振频率源的相位噪声都已经达到或优于：
-80dBc/Hz1KHz offset
-90dBc/Hz10KHz offset
-100dBc/Hz100KHz offset
而这个指标已经远超出了北斗定位系统对本振频率源的相位噪声的要求，大大的减少批量生产中的对本振频率源的调试工作。
对于基带采样用的参考时钟F7（48.96MHz）使用了Cypress公司的CY22U1系列的超小封装的数字频率合成器，并由其形成基带参考时钟合成单元6。由于22MHz和48.96MHz的最大公约数是80KHz，除法器的分频比分别为275和612，可以使用类似CY22U1分频比很高，并且超小封装的数字频率合成器。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.精确合成北斗终端模块多个频率源的装置，该装置包括合成北斗终端内射频发射机和接收机使用的本振频率的本振频率合成单元以及基带参考时钟合成单元，其特征在于，所述装置还包括22MHz高稳定温补电调晶体振荡器，所述22MHz高稳定温补电调晶体振荡器分别与本振频率合成单元和基带参考时钟合成单元电连接，并作为本振频率合成单元和基带参考时钟合成单元合成时的参考时钟。
2.根据权利要求1所述的精确合成北斗终端模块多个频率源的装置，其特征在于，所述本振频率合成单元由超小型封装芯片Si4133组成。
3.根据权利要求1所述的精确合成北斗终端模块多个频率源的装置，其特征在于，所述基带参考时钟合成单元由超小封装芯片CY22U1组成。
4.一种实现如权利要求1中所述装置的方法，其特征在于，该方法为利用22MHz高稳定温补电调晶体振荡器为北斗终端模块频率源合成时的参考时钟。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述北斗终端模块频率源包括第一本振频率1615.68MHz和第二本振频率863.83MHz，在合成第一本振频率1615.68MHz时，选择880K或440K或220K或110KHz作为鉴相频率，此时射频分频器的分频比N对应为1836、3672、7344、14688，使用25、50、100、或200作为参考频率的分频比；在合成第二本振频率863.83MHz时，选择110KHz或55KHz作为鉴相频率，此时中频分频器的分频比N对应为7853、15706，使用200或400作为参考频率的分频比。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，由超小封装芯片CY22U1以22MHz高稳定温补电调晶体振荡器为参考时钟合成基带处理用的参考时钟48.96MHz。
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