CN103675860A - 全球卫星导航系统接收装置 - Google Patents

Abstract

一种全球卫星导航系统接收装置，包括：天线，适于接收卫星信号；低噪声放大器，具有至少两种工作模式，适于根据控制信号选择不同的工作模式、对所述天线接收的卫星信号进行放大处理以产生放大信号；功能处理模块，适于对所述放大信号进行功能处理，并根据所述功能处理产生反馈信号；控制模块，适于根据所述反馈信号进行状态选择以产生所述控制信号。本发明技术方案提供的全球卫星导航系统接收装置，能够根据不同阶段进行的功能处理以及不同应用环境下的要求自动改变噪声放大器的工作模式，提升所述全球卫星导航系统接收装置的性能。

Description

全球卫星导航系统接收装置

技术领域

本发明涉及全球卫星导航系统技术领域，特别涉及一种全球卫星导航系统接收装置。

背景技术

全球卫星导航系统（GNSS，Global Navigation Satellite System）泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。全球卫星导航系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能，它能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。全球卫星导航系统利用均匀分布在高空的卫星发射测距信号码和载波，用户使用接收装置接收所述测距信号码和载波以获得卫星和接收装置之间的距离，再通过一系列方程演算，便能获得地面点位坐标。

图1是常见的一种全球卫星导航系统接收装置的结构示意图。参考图1，所述全球卫星导航系统接收装置包括天线11、低噪声放大器12以及功能处理模块13。所述天线11适于接收卫星信号；所述低噪声放大器12适于对所述天线11接收的卫星信号进行放大处理；所述功能处理模块13适于对放大后的卫星信号进行功能处理。

通过所述低噪声放大器12对卫星信号的放大处理，能够提高所述全球卫星导航系统接收装置的接收灵敏度，所述全球卫星导航系统接收装置的接收灵敏度包括捕获灵敏度、跟踪灵敏度以及初始启动灵敏度。具体地，所述全球卫星导航系统接收装置首先需要对卫星信号进行捕获，捕获所需的最低信号强度为捕获灵敏度；完成捕获后，维持对卫星信号的跟踪所需要的最低信号强度为跟踪灵敏度。

通常，所述全球卫星导航系统接收装置的捕获灵敏度约为-135dBm，跟踪灵敏度约为-147dBm。因此，在捕获卫星信号阶段中，希望所述全球卫星导航系统接收装置具有较高的灵敏度，以便能迅速地捕捉到卫星信号；而在跟踪卫星信号阶段中，由于所述全球卫星导航系统接收装置能轻松地追踪到已经捕获的卫星信号，可以降低对噪声的要求。此外，当遭受较强的干扰信号时，则希望所述全球卫星导航系统接收装置具有较强的抗干扰能力。

然而，现有的全球卫星导航系统接收装置只能突出某个方面的性能，无法适应不同工作阶段的性能需求。例如，对于灵敏度较高的全球卫星导航系统接收装置，其在遭受较强的干扰信号时抗干扰能力弱；而对于抗干扰能力较强的全球卫星导航系统接收装置，其在捕获过程中的灵敏度不够。

发明内容

本发明解决的是现有的全球卫星导航系统接收装置性能单一、无法适应不同工作阶段以及不同应用环境下的性能需求的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种全球卫星导航系统接收装置，包括：

天线，适于接收卫星信号；

低噪声放大器，具有至少两种工作模式，适于根据控制信号选择不同的工作模式、对所述天线接收的卫星信号进行放大处理以产生放大信号；

功能处理模块，适于对所述放大信号进行功能处理，并根据所述功能处理产生反馈信号；

控制模块，适于根据所述反馈信号进行状态选择以产生所述控制信号。

可选的，所述工作模式包括低噪声工作模式、高线性度工作模式以及低功耗工作模式。

可选的，所述功能处理包括捕获卫星信号处理、跟踪卫星信号处理以及抗干扰处理。

可选的，所述功能处理为捕获卫星信号处理，所述低噪声放大器根据控制信号选择低噪声工作模式对所述天线接收的卫星信号进行放大处理以产生放大信号；所述功能处理为跟踪卫星信号处理，所述低噪声放大器根据控制信号选择低功耗工作模式对所述天线接收的卫星信号进行放大处理以产生放大信号；所述功能处理为抗干扰处理，所述低噪声放大器根据控制信号选择高线性度工作模式对所述天线接收的卫星信号进行放大处理以产生放大信号。

可选的，所述低噪声放大器包括至少两个芯片，每个芯片对应一种工作模式。

可选的，所述低噪声放大器为单芯片，所述单芯片具有至少两种工作模式。

可选的，所述控制模块为GPIO接口。

可选的，所述控制模块为一线脉冲控制电路。

可选的，所述全球卫星导航系统接收装置还包括匹配模块，所述低噪声放大器通过所述匹配模块接收所述天线接收的卫星信号，所述匹配模块适于对所述天线和低噪声放大器进行匹配处理。

可选的，所述匹配处理包括功率匹配处理以及噪声匹配处理。

可选的，所述匹配模块包括π型匹配网络、T型匹配网络、电感和电容串联网络、电感和电容并联网络、电容或者电感中的一种。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明技术方案提供的全球卫星导航系统接收装置包括低噪声放大器，通过在所述低噪声放大器中设置多种工作模式，可以在所述全球卫星导航系统接收装置中的功能处理模块进行不同功能处理时，控制所述低噪声放大器选择不同的工作模式工作，以适应所述全球卫星导航系统接收装置在不同工作阶段以及不同应用环境下的性能需求，有效地提高所述全球卫星导航系统接收装置的性能。

在本发明的可选方案中，所述低噪声放大器为单芯片。通过CMOS制造工艺，将多种工作模式集成于同一单芯片上，能够节省电路面积、提高电路集成度，降低所述全球卫星导航系统接收装置的成本。

附图说明

图1是常见的一种全球卫星导航系统接收装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的全球卫星导航系统接收装置的一种结构示意图；

图3是本发明实施例的全球卫星导航系统接收装置的另一种结构示意图。

具体实施方式

在图1所示的全球卫星导航系统接收装置中，由于所述天线11接收到的卫星信号非常微弱，因此需要所述低噪声放大器12将卫星信号放大。卫星运行于距离地球两万多公里的轨道上，发射功率为+47dBm。按照自由空间衰减模型，再考虑到因大气和天线等因素引起的各种损耗，全球卫星导航系统接收装置收到的信号强度极低，约为-130dBm。

通过所述低噪声放大器12对卫星信号的放大处理，能够提高所述全球卫星导航系统接收装置的接收灵敏度。所述全球卫星导航系统接收装置的接收灵敏度提高后，首次定位时间（TTFF，Time To First Fix）就可缩短。根据弗利斯（Friis）传输公式可知，所述低噪声放大器12的噪声系数越小、增益越大，所述全球卫星导航系统接收装置的接收灵敏度越高，即所述低噪声放大器12的噪声系数和增益决定了所述全球卫星导航系统接收装置的接收灵敏度。所述低噪声放大器12的噪声系数与其工作电流相关，工作电流越大，所述低噪声放大器12的噪声系数越小。

另一方面，当所述全球卫星导航系统接收装置应用于移动设备中时，所述全球卫星导航系统接收装置与GSM/EDGE/UMTS/LTE频段中的收发机并存。以GSM1800为例，其在1800MHz时的最大发射功率为+36dBm，GSM输出到所述天线11的隔离度大约为15dB，那么在所述全球卫星导航系统接收装置的前端会有+21dBm的GSM信号。即便在所述低噪声放大器12的前端加入能衰减40dB的带通滤波器，在所述全球卫星导航系统接收装置的前端还是会有-19dBm的GSM信号。而所述全球卫星导航系统接收装置在1575.42MHz（L1频段）接收到的卫星信号幅度大约为-125dBm，这种大的干扰信号对所述低噪声放大器12的线性度提出了很高的要求，所述低噪声放大器12的线性度越好，所述全球卫星导航系统接收机的抗干扰能力越强，即所述低噪声放大器12的线性度决定了所述全球卫星导航系统接收装置的抗干扰能力。

基于上述分析，通过减小所述低噪声放大器12的噪声系数、增大所述低噪声放大器12的增益，可以提高所述全球卫星导航系统接收装置的灵敏度；通过提高所述低噪声放大器12的线性度可以提高所述全球卫星导航系统接收装置的抗干扰性能。因此，采用低噪声系数、高增益以及高线性度的低噪声放大器，能够使全球卫星导航系统接收机在不同工作阶段的性能都达到最优。

然而，现有技术中的低噪声放大器其性能都是各有侧重点的。为了应对不同的应用需求，往往同一系列的低噪声放大器只能突出一个性能。例如，高增益系列低噪声放大器、低噪声系数系列低噪声放大器、高线性度系列低噪声放大器等。但是，无法在同一个低噪声放大器中做到噪声系数最低、增益最高、线性度最好。比如说，对于采用低噪声系数、高增益的低噪声放大器的全球卫星导航系统接收装置，所述低噪声放大器的线性度往往是差的，因此，所述全球卫星导航系统接收装置的接收灵敏度很高，但是在大信号干扰时其接收就会受到影响。

同时，目前的低噪声放大器其工作电流都是固定的，不能根据捕获卫星信号阶段和跟踪卫星信号阶段对灵敏度要求的差异进行自动调节，达到性能优化的目的。本发明技术方案提供一种全球卫星导航系统接收装置，通过在低噪声放大器中设置多种工作模式，可以根据全球卫星导航系统接收装置对卫星信号的不同处理控制低噪声放大器选择相应的工作模式工作，提高全球卫星导航系统接收装置的性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图2是本发明实施例提供的一种全球卫星导航系统接收装置的结构示意图。参考图2，所述全球卫星导航系统接收装置包括天线21、低噪声放大器22、功能处理模块23以及控制模块24。

所述天线21适于接收卫星信号。以GPS卫星信号为例，GPS卫星信号分为L1和L2，频率分别为1575.42MHz和1228MHz，其中L1为开放的民用信号，信号为圆形极化，强度为-166dBm左右，属于比较弱的信号，因此，需要所述天线21接收卫星信号。所述天线21可以为内置天线，也可以为外置天线。

当所述天线21为外置天线时，所述天线21与应用所述全球卫星导航系统接收装置的整机内部基本隔离，EMI几乎不对所述天线21造成影响，接收卫星信号的效果好；当所述天线21为内置天线时，能够提高所述全球卫星导航系统接收装置的集成度，所述天线21必须在所有金属器件上方，应用所述全球卫星导航系统接收装置的整机壳内须电镀并良好接地，远离EMI干扰源，比如CPU、SDRAM、SD卡以及晶体振荡器等。例如，对于车载全球卫星导航系统接收装置，汽车的外壳（特别是汽车防爆膜）会对全球卫星导航系统卫星信号产生严重的阻碍。一个带磁铁、能吸附到车顶的外接天线对于车载全球卫星导航系统来说是非常有必要的。

所述低噪声放大器22具有至少两种工作模式，适于根据控制信号选择不同的工作模式、对所述天线接收的卫星信号进行放大处理以产生放大信号。

具体地，由于所述天线21接收到的卫星信号非常微弱，因此需要所述低噪声放大器22对所述卫星信号进行放大处理。本发明实施例中，所述低噪声放大器22具有至少两种工作模式，所述工作模式包括低噪声工作模式、高线性度工作模式以及低功耗工作模式。

当所述低噪声放大器22采用所述低噪声工作模式工作时，所述低噪声放大器22的噪声系数小、增益大，能够提高所述全球卫星导航系统接收装置的接收灵敏度；当所述低噪声放大器22采用所述高线性度工作模式工作时，所述低噪声放大器22的线性度高，能够提高所述全球卫星导航系统接收装置的抗干扰能力；当所述低噪声放大器22采用所述低功耗工作模式工作时，所述低噪声放大器22的工作电流低，能够降低所述全球卫星导航系统接收装置的功耗。

需要说明的是，所述工作模式并不限于本发明实施例列举的几种模式，本领域技术人员还可以根据所述全球卫星导航系统接收装置的具体应用环境设置所述低噪声放大器22的工作模式，本发明对此不作限定。

为实现多种工作模式，所述低噪声放大器22可以包括至少两个性能差异的芯片，每个芯片对应一种工作模式，所述控制信号可以通过控制每个芯片的使能端以选择具有与所述控制信号对应的工作模式的芯片工作；所述低噪声放大器22也可以为单芯片，在所述单芯片内部设置状态选择电路，通过改变所述单芯片内部的偏置电流、偏置电压或者采用不同的电路设计等方式，使所述单芯片具有至少两种工作模式，所述控制信号可以通过控制所述状态选择电路以使所述单芯片采用与所述控制信号对应的工作模式工作；所述低噪声放大器22也可以是上述两种实现方式的组合，本发明对此不作限定。

需要说明的是，现有技术中主流的单芯片低噪声放大器多采用SiGe或者SOI等制造工艺，其工艺成本高，状态控制复杂，所以在其内部设置所述状态选择电路实现多种工作模式比较困难。而本发明实施例的所述低噪声放大器22采用CMOS制造工艺制造而成，通过CMOS制造工艺在其内部设置所述状态选择电路，通过所述控制信号的控制，将多种工作模式集成于同一单芯片上，能够节省电路面积、提高电路集成度，降低所述全球卫星导航系统接收装置的成本。

所述功能处理模块23适于对所述放大信号进行功能处理，并根据所述功能处理产生反馈信号。

具体地，所述功能处理包括捕获卫星信号处理、跟踪卫星信号处理以及抗干扰处理。所述功能处理模块23需要在噪声信号中提取所述放大信号，并根据其当前进行的功能处理给出相应的反馈信号以确定所述低噪声放大器22的工作模式，即所述功能处理模块23每进行一项功能处理，都会产生与当前进行的功能处理相对应的反馈信号。

所述反馈信号可以为模拟电压信号，根据所述模拟电压信号的电压值可以判断当前进行的功能处理；所述反馈信号也可以为数字电压信号，根据所述数字电压信号代表的二进制数据可以判断当前进行的功能处理；所述反馈信号还可以为脉冲信号，根据所述脉冲信号的占空比或者是脉冲个数可以判断当前进行的功能处理。所述反馈信号还可以为其他形式的信号，只要能够反映出当前进行的是何种功能处理即可，本发明对此不作限定。

以所述反馈信号为模拟电压信号为例，当首次启动或者冷启动所述全球卫星导航系统接收装置时，需要对卫星信号进行搜索，即所述功能处理模块23进行的功能处理为捕获卫星信号处理，相应地产生电压值为U1的反馈信号；当所述全球卫星导航系统接收装置处于热启动状态时，需要对卫星信号进行跟踪，即所述功能处理模块23进行的功能处理为跟踪卫星信号处理，相应地产生电压值为U2的反馈信号；在捕获卫星信号、跟踪卫星信号或者其他工作过程中，当所述全球卫星导航系统接收装置周围出现强干扰信号时，所述功能处理模块23进行的功能处理为抗干扰处理，相应地产生电压值为U3的反馈信号。

所述控制模块24适于根据所述反馈信号进行状态选择以产生所述控制信号。

具体地，所述控制模块24预先定义了所述控制信号和所述反馈信号的对应关系。依据所述对应关系，所述控制模块24在接收到所述反馈信号时进行状态选择，产生与所述反馈信号对应的控制信号，所述控制信号控制所述低噪声放大器22选择与所述功能处理对应的工作模式。

还是以所述反馈信号为模拟电压信号为例，当所述控制模块24接收的反馈信号的电压值为U1时，判断出所述功能处理模块23进行的功能处理为捕获卫星信号处理，由于卫星信号的强度较低，为了能迅速地捕捉到卫星信号，需要提高所述全球卫星导航系统接收装置的灵敏度，因此，所述控制模块24产生的控制信号控制所述低噪声放大器22工作于低噪声工作模式下；

当所述控制模块24接收的反馈信号的电压值为U2时，判断出所述功能处理模块23进行的功能处理为跟踪卫星信号处理，由于所述全球卫星导航系统接收装置能轻松地追踪到已经捕获的卫星信号，可以降低所述全球卫星导航系统接收装置的灵敏度以减小功耗，因此，所述控制模块24产生的控制信号控制所述低噪声放大器22工作于低功耗工作模式下；

当所述控制模块24接收的反馈信号的电压值为U3时，判断出所述功能处理模块23进行的功能处理为抗干扰处理，需要提高所述全球卫星导航系统接收装置的抗干扰能力，因此，所述控制模块24产生的控制信号控制所述低噪声放大器22工作于高线性度工作模式下。

所述控制模块24可以为GPIO接口，通过配置所述GPIO接口直接对所述低噪声放大器22进行控制；所述控制模块24也可以为一线脉冲控制电路，通过调节输入所述低噪声放大器22的脉冲个数对所述低噪声放大器22进行控制。所述控制模块24还可以为其他形式的控制电路，本发明对此不作限定。

以下对本发明实施例的全球卫星导航系统接收装置的工作原理进行说明。

假定低噪声工作模式为所述低噪声放大器22的默认工作模式。在默认工作模式下，所述全球卫星导航系统接收机对卫星信号进行搜索，即所述功能处理模块23进行的功能处理为捕获卫星信号处理，为了提高所述全球卫星导航系统接收装置的灵敏度，所述控制模块24产生的控制信号控制所述低噪声放大器22仍工作于低噪声工作模式下。

捕获卫星信号之后，所述全球卫星导航系统接收机对卫星信号进行跟踪，即所述功能处理模块23进行的功能处理为跟踪卫星信号处理，由于所述全球卫星导航系统接收装置能轻松地追踪到已经捕获的卫星信号，可以降低所述全球卫星导航系统接收装置的灵敏度以减小功耗，所述控制模块24产生的控制信号控制所述低噪声放大器22工作于低功耗工作模式下，延长所述全球卫星导航系统接收装置的使用时间。

在捕获卫星信号、跟踪卫星信号或者其他工作过程中，若带外干扰信号功率过大，所述功能处理模块23进行的功能处理为抗干扰处理，需要提高所述全球卫星导航系统接收装置的抗干扰能力，所述控制模块24产生的控制信号控制所述低噪声放大器22工作于高线性度工作模式下，以防止在有大信号干扰的情况下，由于干扰信号的功率过大而导致所述低噪声放大器22饱和而影响对卫星信号接收的情况。

本发明实施例提供的全球卫星导航系统接收装置通过在所述低噪声放大器22中设置多种工作模式，可以在所述功能处理模块23进行不同功能处理时，控制所述低噪声放大器22选择不同的工作模式工作，以适应所述全球卫星导航系统接收装置在不同工作阶段的性能需求，有效地提高所述全球卫星导航系统接收装置的性能。

本发明实施例还提供一种结构如图3所示的全球卫星导航系统接收装置。参考图3，所述全球卫星导航系统接收装置包括天线31、低噪声放大器32、功能处理模块33以及控制模块34，还包括匹配模块35，所述低噪声放大器32通过所述匹配模块35接收所述天线31接收的卫星信号，即所述匹配模块35连接于所述天线31和所述低噪声放大器32之间，适于对所述天线31和所述低噪声放大器32进行匹配处理。所述天线31、低噪声放大器32、功能处理模块33以及控制模块34可参考对图2的描述，在此不再赘述。

当所述天线31和所述低噪声放大器32不匹配时，会产生回波损耗现象，造成卫星信号的衰减。为防止产生回波损耗现象，所述匹配模块35将所述低噪声放大器32的输入阻抗与所述天线31阻抗调节到匹配，从而使所述天线31上接收到的卫星信号能最大程度地传输到所述低噪声放大器32中，这也是通常所说的功率匹配处理。同时，还存在噪声匹配处理，也就是调整所述匹配模块35，可以使得所述匹配模块35与所述低噪声放大器32的噪声系数最小，从而提高所述全球卫星导航系统接收装置的接收灵敏度。所述匹配模块35可以为π型匹配网络、T型匹配网络、电感和电容串联网络、电感和电容并联网络、电容或者电感中的任意一种，本发明对此不作限定。

综上所述，本发明技术方案提供的全球卫星导航系统接收装置，能够根据不同阶段进行的功能处理自动改变噪声放大器的工作模式，提升所述全球卫星导航系统接收装置的性能。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种全球卫星导航系统接收装置，其特征在于，包括：

天线，适于接收卫星信号；

低噪声放大器，具有至少两种工作模式，适于根据控制信号选择不同的工作模式、对所述天线接收的卫星信号进行放大处理以产生放大信号；

功能处理模块，适于对所述放大信号进行功能处理，并根据所述功能处理产生反馈信号；

控制模块，适于根据所述反馈信号进行状态选择以产生所述控制信号。

2.如权利要求1所述的全球卫星导航系统接收装置，其特征在于，所述工作模式包括低噪声工作模式、高线性度工作模式以及低功耗工作模式。

3.如权利要求2所述的全球卫星导航系统接收装置，其特征在于，所述功能处理包括捕获卫星信号处理、跟踪卫星信号处理以及抗干扰处理。

4.如权利要求3所述的全球卫星导航系统接收装置，其特征在于，所述功能处理为捕获卫星信号处理，所述低噪声放大器根据控制信号选择低噪声工作模式对所述天线接收的卫星信号进行放大处理以产生放大信号；所述功能处理为跟踪卫星信号处理，所述低噪声放大器根据控制信号选择低功耗工作模式对所述天线接收的卫星信号进行放大处理以产生放大信号；所述功能处理为抗干扰处理，所述低噪声放大器根据控制信号选择高线性度工作模式对所述天线接收的卫星信号进行放大处理以产生放大信号。

5.如权利要求1所述的全球卫星导航系统接收装置，其特征在于，所述低噪声放大器包括至少两个芯片，每个芯片对应一种工作模式。

6.如权利要求1所述的全球卫星导航系统接收装置，其特征在于，所述低噪声放大器为单芯片，所述单芯片具有至少两种工作模式。

7.如权利要求1所述的全球卫星导航系统接收装置，其特征在于，所述控制模块为GPIO接口。

8.如权利要求1所述的全球卫星导航系统接收装置，其特征在于，所述控制模块为一线脉冲控制电路。

9.如权利要求1所述的全球卫星导航系统接收装置，其特征在于，还包括匹配模块，所述低噪声放大器通过所述匹配模块接收所述天线接收的卫星信号，所述匹配模块适于对所述天线和低噪声放大器进行匹配处理。

10.如权利要求9所述的全球卫星导航系统接收装置，其特征在于，所述匹配处理包括功率匹配处理以及噪声匹配处理。

11.如权利要求9所述的全球卫星导航系统接收装置，其特征在于，所述匹配模块包括π型匹配网络、T型匹配网络、电感和电容串联网络、电感和电容并联网络、电容或者电感中的一种。

Images