CN103117767A

CN103117767A - 一种多模多频全球导航卫星系统接收机射频前端装置

Info

Publication number: CN103117767A
Application number: CN2013100136609A
Authority: CN
Inventors: 郭文飞; 郑建生; 孙健兴; 朱玉建
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2033-01-15
Also published as: CN103117767B

Abstract

本发明公开一种多模多频全球导航卫星系统接收机射频前端装置，包括依次相连的低噪声放大器、功分器和多路射频信号处理电路，射频信号处理电路均由依次相连的第一射频开关、射频滤波器组、第二射频开关、射频放大模块、下混频模块、中频滤波模块、中频放大模块和自动增益控制单元构成，下混频模块包括相互连接的下混频器和本振发生模块，控制单元与各路射频信号处理电路中的第一射频开关、第二射频开关和下混频模块中的本振发生模块相连。本发明通过数字控制方式能灵活选择四模11频段中多种组合频段的中频输出，从而实现了在同一模块中采集或者处理GPS、格洛纳斯、伽利略和北斗四大系统卫星导航系统中频信号的功能。

Description

一种多模多频全球导航卫星系统接收机射频前端装置

技术领域

本发明属于卫星导航领域，特别涉及一种多模多频全球导航卫星系统接收机射频前端装置。

背景技术

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）是一种星基无线电导航系统，最初主要是指美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）。然而，近年来随着欧洲伽利略、中国北斗系统的迅速发展及其俄罗斯格洛纳斯系统的恢复重建，卫星导航正在从GPS时代向GNSS时代转变，逐步形成了GPS与伽利略、格洛纳斯和北斗四大系统并存的局面。

随着GNSS技术的快速发展和应用需求的不断提高，同时利用多系统信号进行组合定位的多模GNSS系统表现出了极大的优势，四大系统之间的兼容和互操作技术迅速成为导航领域的研究和应用热点。然而，四大卫星导航系统均有各自不同的信号频段和带宽，而每个频段的信号都需要相应的射频前端装置将信号下混频到合适的中频才能进行数字处理，因此多模GNSS接收机必须要有多模射频前端的支持。由于体积过大、电路实现复杂等技术原因，现有的多模接收机大都采用固定的双模射频前端设计，即仅利用四大系统中的某两个系统进行定位，这在某种程度上减弱了接收机处理更多信号的可能性，并且固定的射频频段和带宽不利于系统模式的更改和调整。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种多模多频全球导航卫星系统接收机射频前端装置，该装置通过配置灵活选择模式和频点，可同时兼容GNSS四大卫星导航系统中11个频段的信号。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种多模多频全球导航卫星系统接收机射频前端装置，包括依次相连的低噪声放大器、功分器和多路射频信号处理电路，所述的多路射频信号处理电路中的各路射频信号处理电路均由依次相连的第一射频开关、射频滤波器组、第二射频开关、射频放大模块、下混频模块、中频滤波模块、中频放大模块和自动增益控制单元构成，功分器输出的多路信号分别输入对应的多路射频信号处理电路，所述的下混频模块包括相互连接的下混频器和本振发生模块，控制单元与各路射频信号处理电路中的第一射频开关、第二射频开关和下混频模块中的本振发生模块相连。

上述功分器为四功分器，且，上述多路射频信号处理电路为四路射频信号处理电路。

本发明中，根据GNSS信号带宽，经过四功分器的GNSS信号被分为四路信号，北斗系统B1波段信号、GPS的 L1波段信号、 GPS的 L2波段信号划入第一路信号；格洛纳斯系统L1和L2波段信号划入第二路信号；北斗系统B2和B3波段信号、GPS的 L3波段信号划入第三路信号；伽利略系统E5、L1、和E6波段信号划入第四路信号；所述的第一、二、三、四路信号分别对应输入第一、二、三、四路射频信号处理电路。

上述第一路射频信号处理电路中，第一和第二射频开关均为三选一射频开关，射频滤波器组包括分别通过北斗系统B1波段信号、GPS的 L1波段信号、 GPS的 L2波段信号的射频滤波器，中频滤波器的中频带宽为4.092MHz。

上述第二路射频信号处理电路中，第一和第二射频开关均为二选一射频开关，射频滤波器组包括分别通过格洛纳斯系统L1和L2波段信号的射频滤波器，中频滤波器的中频带宽为13.5MHz。

上述第三路射频信号处理电路中，第一和第二射频开关均为三选一射频开关，射频滤波器组包括分别通过北斗系统B2波段信号、北斗系统B3波段信号、GPS的 L3波段信号的射频滤波器，中频滤波器的中频带宽为24MHz。

上述第四路射频信号处理电路中，第一和第二射频开关均为三选一射频开关，射频滤波器组包括分别通过伽利略系统E5、L1、和E6波段信号的射频滤波器，中频滤波器的中频带宽为51MHz。

上述本振发生模块包括相互连接的本振发生器和时钟模块，多路本振发生器共用一个时钟模块。所述的时钟模块包括内部时钟模块和外部时钟模块，通过单刀双掷开关选择本振发生器连接内部时钟模块或外部时钟模块。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

1）本发明能同时兼容GNSS四大卫星导航系统中的11频段射频信号，使得GNSS接收机能处理更多GNSS信号，实现了在同一模块中采集或者处理GPS、格洛纳斯、伽利略和北斗四大系统卫星导航系统中频信号的功能，有利于系统模式的更改和调整。

2）本发明基于11频段GNSS信号的带宽将11频段信号划分为四路，各路信号时分共用射频放大模块、下混频模块、中频滤波模块、中频放大模块和自动增益控制单元，减少了射频信号处理电路的数量，降低系统功耗，缩小了体积。

3）本发明中的多路射频信号处理电路可以同时输出处理后的GNSS中频信号，但各路射频信号处理电路可以数字选择输出进入该电路中的多频段信号中的一种，从而实现数字控制四模11频点中任意组合频点的中频输出；

4）本发明具有体积小、功耗小、集成度高、兼容性强、接收信噪比高等特点。

5）控制单元和时钟模块共同控制四路本振发生器分时产生对应11频段射频信号的11路本振，极大地减少了本振的数量。

附图说明

图1为本发明具体实施的整体结构框图；

图2为图1中第一路射频信号处理电路的结构框图；

图3为本具体实施中本振发生模块的结构框图；

图4为本具体实施中时钟模块的结构框图；

图5为控制命令的帧格式。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的具体实施。

图1为本具体实施的结构框图，设有四路通道，包括四路射频信号处理电路，GNSS接收机接收的卫星信号经低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）后送入四路功分器，信号功分成四份相同信号后分别进入各射频信号处理电路，各路射频信号处理电路的电路结构及原理均相同。

本发明根据11频段GNSS卫星信号的带宽将其划分为四路信号。北斗系统B1波段信号、GPS的 L1波段信号和 GPS的 L2波段信号的带宽分别为2.046MHz、2.046MHz、4.092MHz，上述三类信号带宽相近，因此将北斗系统B1波段信号、GPS的 L1波段信号和 GPS的 L2波段信号划入第一路信号，采用第一路射频信号处理电路对第一路信号进行处理。格洛纳斯系统L1波段信号和格洛纳斯系统L2波段信号带宽分别为13.5MHz、10.5MHz，将格洛纳斯系统L1波段信号和L2波段信划入第二路信，采用第二路射频信号处理电路对第二路信号进行处理。北斗系统B2波段信号、北斗系统B3波段信号、GPS的L3波段信号带宽分别为24MHz、24MHz、20MHz，将北斗系统B2 和B3波段信号、GPS的L3波段信号划入第三路信号，采用第三路射频信号处理电路对第三路信号进行处理。伽利略系统的E5波段信号、L1波段信号和E6波段信号带宽分别为50MHz、32MHz、40MHz，将伽利略系统的E5波段信号、L1波段信号和E6波段信号划入第四路信号，采用第四路射频信号处理电路对第四路信号进行处理。

射频信号处理电路中设置有射频滤波器组，射频滤波器组包括与各路信号中各频段信号对应的射频滤波器。例如，本具体实施中采用第一路射频信号处理电路对第一路信号进行处理，则第一路射频信号处理电路中的射频滤波器组包括可通过第一路信号中各频段信号的射频带通滤波器，即可通过北斗系统B1波段信号、GPS的 L1波段信号和 GPS的 L2波段信号的射频带通滤波器。控制单元通过控制射频信号处理电路中的第一和第二射频开关来选择射频滤波器组中的不同射频滤波器，从而使得与该导通射频滤波器对应的信号得以通过，其他信号均被滤掉。

图2为图1中第一路射频信号处理电路的原理图，由于各路射频信号处理电路结构及原理相同，下面将仅对第一路射频信号处理电路做详细说明。卫星信号经四路功分器功分为相同的四路信号，其中一路进入第一路射频信号处理电路，控制单元（Micro Control Unit，MCU）控制第一射频开关的相应管脚控制信号选择射频滤波器组4中的一个射频滤波器，第二射频开关与第一射频开关的选择通道相对应，从而使得与所选择的射频滤波器对应的信号进入该通道。例如，第一射频开关选择将经功分器输出的GNSS信号输入可通过北斗系统B1波段信号的射频滤波器，则第二射频开关选择北斗系统B1波段信号的射频滤波器的输出作为其输入，这样，北斗系统B1波段信号可进入射频放大模块，其他信号均被滤掉。第一路射频信号处理电路中设置了可通过北斗系统B1波段信号、GPS的 L1波段信号和 GPS的 L2波段信号的射频滤波器，则仅北斗系统B1波段信号、GPS的 L1波段信号和 GPS的 L2波段信号可进入第一路射频信号处理电路进行处理，其他频段信号均被滤掉。本具体实施中的射频滤波器为声表面射频带通滤波器（Band-Pass Filter，BPF）。

假设在第一路射频信号处理电路中，控制单元控制射频开关选择了北斗B1滤波器，则北斗系统B1波段信号可通过该滤波器，该滤波器输出的高频卫星信号输入到第二射频开关5。从第二射频开关5输出的高频卫星信号进入射频放大器6进行信号放大，放大后的卫星信号输入到下混频器11混频得到频率较低的中频信号。下混频器11的本振发生器在MCU的控制下产生与各卫星信号频段对应的频点，本发明具体实施中各本振发生器产生的本振频率见表1。从下混频器11输出的中频信号输入到中频滤波器7以滤除无用的干扰信号后，输入到中频放大器8以放大下变频的中频信号，然后进入自动增益控制（AGC)单元9，最后输出幅度适当的适于数字处理的中频卫星信号10。

图3为本振发生模块的结构框图，本振产生模块主要包括本振发生器和时钟模块，时钟模块包括内部时钟模块或外部时钟模块，通过单刀双掷开关选择本振发生器连接内部时钟模块或外部时钟模块。本发明设有四个本振发生器，分别针对四路射频信号处理电路提供本振信号。四个本振发生器共用时钟模块，本具体实施中采用的时钟芯片为10MHZ晶振，采用的本振发生器型号为SI4133。该10MHZ晶振既可以是本发明内置时钟供给，也可以是外部时钟提供，见图4。

上述射频前端装置的工作过程：当MCU接收到外部指令后，对指令进行解析，并发出指令切换命令来控制射频滤波器输入前和输出后的射频开关，以选择相应的射频滤波器；同时控制本振发生器产生与各卫星信号相应的本振。

图4为时钟模块的具体实施，采用了双时钟设计。当系统外部没有时钟供给时，通过拨动单刀双掷开关sw，使开关1脚和2脚相接，系统内部10M时钟信号同时供给内部系统和外部10M时钟接口，外部可将该时钟信号输出作为同步时钟，减小时钟漂移。当外部有时钟输入时，通过拨动开关sw，使开关2脚和3脚相接，3脚悬空，此时将外部时钟作为系统的参考时钟。在外部参考时钟输入时，拨动开关sw，使开关1脚和2脚相接时，由于内部的10M时钟有欧姆缓冲电阻，可保证电路正常工作。

本具体实施中采用工作频率为1GHz-2GHz的低噪声放大器来放大接收的微弱卫星信号，然后经四路功分器将卫星信号分为相同的四路信号。进入射频信号处理电路的信号均经一次射频放大、一次下混频后产生中频信号，下混频时，MCU控制本振发生器输出各信号所需本振频率。第一路射频信号处理电路中，混频后的中频信号通过中频为100M、带宽为4.092MHz的中频滤波器放大，然后通过AGC芯片输入到MCU进行后处理，第二～四路通道中，混频后的中频信号通过的中频滤波器均为100M，但中频带宽分别为14MHz、24MHz、51MHz。

本发明接收机射频前端装置上电时系统有默认的GNSS通道输出，外部MCU通过外部接口与控制单元通信，向控制单元发送控制命令，所发送的控制命令帧格式见图5，每帧控制字为6byte，包含帧头、帧尾、控制位、纠错位。其中帧头、帧尾分别2byte，作为帧同步信号；控制位占1byte，8bit分别对应通道选择、开关选择、本振选择；纠错位是防止误操作命令。

本发明控制单元提取接收的命令帧中的控制字，并根据控制字解析指令，从而进行第一和第二射频开关的选择和本振频点改变，来达到相应GNSS频点的中频输出。见图5，本具体实施中，本发明控制单元根据控制字的0、1位来控制产生的本振在哪路射频信号处理电路，根据控制字的2、3位控制射频开关从而选择导通相应的射频滤波器；根据控制字的4、5位控制产生相应频率的本振。

本具体实施中的本振频点的选择基于如下原则：

1）本振频点在中心频率的±100MHz，所述的中心频率为GNSS信号的工作频带的中间值；

2）本振属于强干扰，本振的频点需远离有用信号的频带；

3）本振与本振混频产生的中频信号需远离中频滤波器通带。

基于上述原则，本具体实施中，各GNSS信号的11个频段信号对应的的本振频率见表1，该表中的中频频率为GNSS信号经射频信号处理电路处理后输出的中频信号的频率。

表1 GNSS信号工作频率及本振频率选择

频点	射频输入频率	本振频率	中频频率
				GPS的L1波段信号	1575.42±2.046MHz	1675.42MHZ	100±13.9595MHz
GPS 的L2波段信号	1227.6±2.046MHz	1127.6MHZ	100±2.046MHz
				GPS 的L5波段信号	1176.45±20.46MHz	1076.45 MHz	100±20.46MHz
格洛纳斯系统的 L1波段信号	1607.03125±13.9595MHz	1707.03MHZ	100±13.9595MHz
				格洛纳斯系统的L2波段信号	1251.46875±11.0845MHz	1351.47MHZ	100±11.0845MHz
北斗系统的B1波段信号	1561.098±4.092MHz	1661.098MHZ	100±4.092MHz
				北斗系统的 B2波段信号	1207.14±24MHz	1107.14MHZ	100±24MHz
北斗系统的B3波段信号	1268.52±24MHz	1368.52MHZ	100±24MHz
				伽利略系统的 E5波段信号	1191.795±51MHz	1091.795MHZ	100±51MHz
伽利略系统的E6波段信号	1278.750±40MHz	1378.75MHZ	100±40MHz
				伽利略系统的 L1波段信号	1575.420±33MHz	1675.42MHZ	100±33MHz

表2 射频滤波器的中心频率和带宽

GNSS信号	中心频率（MHz）	带宽（MHz）
			GPS的 L5-1波段信号	1176.45	20.46
伽利略系统E5-2波段信号	1191.795	51
			北斗系统B2-3波段信号	1207.14	24
GPS的L2-4波段信号	1227.6	2.046
			格洛纳斯系统的L2-5波段信号	1251.46875	11.0845
北斗系统的B3-6波段信号	1268.52	24
			伽利略系统的E6-7波段信号	1278.750	40
北斗系统的B1-8波段信号	1561.098	4.092
			GPS的L1-9波段信号	1575.42	2.046
伽利略系统的L1-10波段信号	1575.420	33
			格洛纳斯系统的L1-11波段信号	1609.03125	23.1575

本具体实施中射频滤波器主要是用来预选频段并抑制镜像干扰、带外干扰和各种噪声。在选择射频滤波器时，主要考虑通带带宽、带内平坦度、带外衰减以及插入损耗。本具体实施选择声表面射频滤波器，声表面射频滤波器具有体积小，重量轻、性能可靠、不需要复杂调整。声表面波滤波器的特点是：（1）频率响应平坦，不平坦度仅为±（0.3～0.5）dB，群时延±（30～50）ns。（2）SAWF（声表面滤波器）矩形系数好，带外抑制可达40dB以上。与各GNSS信号对应的射频滤波器的中心频率和带宽见表2。

本发明中因每路频段的射频信号通过射频开关选择不同的射频滤波器来滤除带外的干扰，第一、三、四路射频信号处理电路采用三选一的射频开关芯片，第二路射频信号处理电路则采用二选一的射频开关芯片。因此，所选择的射频开关芯片工作频率需满足1GHz～2GHz且插入损耗小，并控制电平与MCU电平兼容，工作电流低。为了保证相位和增益的一致性，除了通过保证射频走线的长度和宽度的一致外，还对每级器件的选择有一定要求，各路电路每级器件尽可能选择同一型号的器件，即各路射频信号处理电路中的射频放大器、下混频器、中频放大器、AGC器件等型号相同。

Claims

1.一种多模多频全球导航卫星系统接收机射频前端装置，其特征在于：

包括依次相连的低噪声放大器、功分器和多路射频信号处理电路，所述的多路射频信号处理电路中的各路射频信号处理电路均由依次相连的第一射频开关、射频滤波器组、第二射频开关、射频放大模块、下混频模块、中频滤波模块、中频放大模块和自动增益控制单元构成，功分器输出的多路信号分别输入对应的多路射频信号处理电路，所述的下混频模块包相互连接的下混频器和本振发生模块，控制单元与各路射频信号处理电路中的第一射频开关、第二射频开关和下混频模块中的本振发生模块相连。

2.如权利要求1所述的多模多频全球导航卫星系统接收机射频前端装置，其特征在于：

所述的功分器为四功分器，且，所述的多路射频信号处理电路为四路射频信号处理电路。

3.如权利要求2所述的多模多频全球导航卫星系统接收机射频前端装置，其特征在于：

根据GNSS信号的带宽，依次经过低噪声放大器、四功分器的GNSS信号被分为四路信号，北斗系统B1波段信号、GPS的 L1波段信号、 GPS的 L2波段信号划入第一路信号；格洛纳斯系统L1和L2波段信号划入第二路信号；北斗系统B2和B3波段信号、GPS的 L3波段信号划入第三路信号；伽利略系统E5、L1、和E6波段信号划入第四路信号；所述的第一、二、三、四路信号分别对应输入第一、二、三、四路射频信号处理电路。

4.如权利要求1或3所述的多模多频全球导航卫星系统接收机射频前端装置，其特征在于：

所述的第一路射频信号处理电路中，第一和第二射频开关均为三选一射频开关，射频滤波器组包括分别通过北斗系统B1波段信号、GPS的 L1波段信号、 GPS的 L2波段信号的射频滤波器，中频滤波器的中频为100MHz、带宽为4.092MHz；

所述的第二路射频信号处理电路中，第一和第二射频开关均为二选一射频开关，射频滤波器组包括分别通过格洛纳斯系统L1和L2波段信号的射频滤波器，中频滤波器的中频为100MHz、带宽为13.5MHz；

所述的第三路射频信号处理电路中，第一和第二射频开关均为三选一射频开关，射频滤波器组包括分别通过北斗系统B2波段信号、北斗系统B3波段信号、GPS的 L3波段信号的射频滤波器，中频滤波器的中频为100MHz、带宽为24MHz；

所述的第四路射频信号处理电路中，第一和第二射频开关均为三选一射频开关，射频滤波器组包括分别通过伽利略系统E5、L1、和E6波段信号的射频滤波器，中频滤波器的中频为100MHz、带宽为51MHz。

5.如权利要求4所述的多模多频全球导航卫星系统接收机射频前端装置，其特征在于：

所述的射频滤波器均为声表面射频带通滤波器。

6.如权利要求1所述的多模多频全球导航卫星系统接收机射频前端装置，其特征在于：

所述的本振发生模块包括相互连接的本振发生器和时钟模块，多路本振发生器共用一个时钟模块。

7.如权利要求6所述的多模多频全球导航卫星系统接收机射频前端装置，其特征在于：

所述的时钟模块包括内部时钟模块和外部时钟模块，通过单刀双掷开关选择本振发生器连接内部时钟模块或外部时钟模块。