CN104237910A

CN104237910A - 多通道导航射频接收机

Info

Publication number: CN104237910A
Application number: CN201410473787.3A
Authority: CN
Inventors: 韩业奇; 倪文海; 钱晓辉; 徐文华
Original assignee: CANAANTEK Corp Ltd
Current assignee: CANAANTEK Corp Ltd
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2014-12-24

Abstract

本发明提供一种多通道导航射频接收机，设置有多个通道对应接收多个不同导航卫星的信号；多个通道共用了射频前端及频率综合器的射频锁相环；其中，所述射频前端通过设置一次正交下变频器，对射频前端接收到的射频信号进行第一次下变频，将得到的一路中频信号输出至多个通道；多个通道中各自设置有对应的二次正交下变频器，对所述中频信号进行第二次下变频得到与各通道相应的中频转换信号；所述频率综合器通过设置分频系数不同的分频器，分别向一次正交下变频器提供进行第一次下变频所需的正交本振信号，以及分别向各个通道的二次正交下变频器提供其各自进行第二次下变频所需的正交本振信号。本发明既能节省功耗，又能节省成本。

Description

多通道导航射频接收机

技术领域

本发明涉及导航通讯领域的射频芯片设计，特别涉及一种多通道导航射频接收机。

背景技术

目前世界上有四个全球导航系统GNSS（Global Navigation Satellite System）：第一是美国的GPS导航系统，其射频频率为1575.42MHz，带宽为2.046MHz，带宽内蕴涵着时间和位置信息的C/A码；第二是俄国的GLONASS导航系统，其射频频率是1598.0625MHz至1605.375MHz，带宽是8MHz，分成14个频道，频道与频道的间隔是0.5625MHz，每个频道的带宽是0.5625MHz；第三是中国北斗二代的COMPASS导航系统的射频频率是1561.098MHz，带宽是4.092MHz；第四是欧盟的伽利略（Galileo）导航系统，其射频频率是1575.42MHz，带宽是4.092MHz。同时，日本、印度为了进一步满足本国导航定位服务需求，充分利用正在运行的GPS，加紧研发自己的区域卫星导航系统。日本为了满足飞行服务区和信号易遮挡区的用户对导航定位服务的需求，正在加紧研制基于多功能卫星的星基增强系统（MSAS）和准天顶卫星导航系统（QZSS），两个区域卫星导航系统主要通过对GPS增强以满足用户需求。印度正在研发的两个卫星导航系统分别是基于GEO辅助的GPS增强导航（GAGAN）系统和印度自主建设的区域导航卫星系统（IRNSS）；GAGAN主要对GPS进行广域差分增强，IRNSS是印度独立自主的卫星导航系统，既可以提供独立的导航定位服务，也可提供GPS增强信息。

全球导航定位系统（GPS）已经广泛应用于车载导航，车辆跟踪，时间同步，测量测绘，船只或车辆监控，地理数据采集，航天工业等等。到目前为止，导航定位系统最大和最多的用户是车载和手持导航。在手持导航仪（PND，Portable Navigation Device）或类似的应用中，整个导航仪是需要用电池来供电的。所以针对这种应用，导航系统的芯片功耗有着特殊的意义。功耗越低，使用的时间就越长；同时人们对于导航定位精度的要求进一步提高。就目前市场上，主流的仍然是单通道的导航射频芯片，比如仅仅支持GPS导航。

如图1所示，上述产品都是采用传统的低中频导航射频接收机的系统架构，导航GPS射频调制信号通过天线（未画出），经由射频输入口（LNA_IN）被接收到射频的信号通道中，通过前端的低噪声放大器1（LNA）进行放大。为了过滤掉邻近的手机或别的通讯干扰信号，经放大的射频RF信号需要输出到芯片外，由片外声滤波器2（SAW FILTER）进行滤波处理；再接回到片内的射频预放大器3（RFA）作进一步放大后，输出到正交下变频器4和5（MixerI，MixerQ）进行射频RF到中频IF的下变频转换。中频滤波器6（IF Filter）对中频信号进行信道选择，过滤出在带宽内需要被解调的中频信号，带宽外的任何信号或噪声可以得到充分的过滤。导航GPS的带宽是2f₀，一般中频滤波器的带宽比2f₀稍高，单位频率f₀=1.023MHz。此中频信号经可调增益放大器7（VGA）放大后，提供适度的信号强度给模数转换器8（ADC），从而把中频模拟信号转换成包含极性SIGN及幅度MAG的两位数字信号，最后这些数字信号被输出至数字基带（未画出）做后续的信号处理。在低中频导航射频接收机系统架构中，模数转换器8输出的幅度MAG信号还通过可调增益放大器控制电路9（VGA Controller）反馈到可调增益放大器7的增益控制电压端，用作信号强度的检测，以使该可调增益放大器7能为模数转换器8提供恒定的信号输出。

其中，进行射频RF至中频IF下变频的正交下变频器4和5，其本振是由频率综合器来提供的。无论是整数分频频率综合器（Integer-NRFPLL）还是小数分频频率综合器（Fractional-N RFPLL），频率综合器锁相环（RFPLL）一般包含由鉴频鉴相器12（PFD）、电荷泵13（CP）、环路滤波器14（LPF）、压控振荡器15（VCO）、一组分频模块连接形成的反馈回路。其中，鉴频鉴相器12，将频率综合器反馈回来的反馈信号与一个标准参考时钟进行比较；由该比较结果控制，所述电荷泵13对环路滤波器14进行充电或放电，使环路滤波器14输出过滤后的直流电压，对压控振荡器15的频率进行控制。压控振荡器15产生的本振频率，经由二分频器16（DIV2）、预分频器17（Prescaler）、反馈分频器18（Feedback Divider）的分频处理后，反馈输出到鉴频鉴相器12，如此即形成一个完整的锁相环环路；当反馈的频率和参考的标准频率相等的时候，鉴频鉴相器12控制该频率综合器锁相环锁定，此时压控振荡器15所输出的本振频率就是参考时钟的N倍（倍数N由所述若干分频模块16、17、18配合决定）。由于导航射频芯片主流的系统架构都选择两倍频的压控振荡器频率，即2×1536f₀，因此压控振荡器15的输出经由二分频器16分频获得正交本振LOI和LOQ，分别输出至所述正交下变频器4和5。一般来说，为了满足导航射频芯片对频率的高精度要求，由片外的温补的晶振（TCXO，未画出）提供的时钟信号（TCXO_IN），经过时钟隔离放大器10（CLK BUF）的整形后，输进前述的频率综合器锁相环作为标准参考时钟。与此同时，时钟隔离放大器10输出的这个时钟也提供给模数转换器8作为其采样时钟。该采样时钟最终还经过另外一个时钟隔离放大器11（CLK BUF）的整形，输出到片外的导航基带芯片作数据采样的同步。

发明内容

针对目前市场上对导航定位精度、成本、功耗的要求，本发明提供一种多通道导航射频接收机的系统架构，能同时接收多个导航系统的卫星信号。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种多通道导航射频接收机，设置有多个通道对应接收多个不同导航卫星的信号；多个通道共用了射频前端及频率综合器的射频锁相环；

其中，所述射频前端通过设置一次正交下变频器，对射频前端接收到的射频信号进行第一次下变频，将得到的一路中频信号输出至多个通道；

多个通道中各自设置有对应的二次正交下变频器，对所述中频信号进行第二次下变频得到与各通道相应的中频转换信号；

所述频率综合器通过设置分频系数不同的分频器，分别向一次正交下变频器提供进行第一次下变频所需的正交本振信号，以及分别向各个通道的二次正交下变频器提供其各自进行第二次下变频所需的正交本振信号。

优选地，所述射频前端中，进一步包含：依次连接的低噪声放大器、片外声表面波滤波器、射频预放大器，该射频预放大器的输出端连接至所述一次正交下变频器的输入端。

优选地，所述频率综合器的射频锁相环中，进一步包含：依次连接的鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、第一级分频器、预分频器、反馈分频器，该反馈分频器的输出端连接至所述鉴频鉴相器的输入端构成一个为多个通道共用的反馈回路；

经由所述第一级分频器对压控振荡器的输出结果分频后，得到进行第一次下变频所需的正交本振信号，并输出至所述一次正交下变频器。

优选地，所述频率综合器中还包含分别与第一级分频器连接的多个第二级分频器，其按照各自设定的分频系数，分别对第一级分频器的输出结果进行分频后得到进行第二次下变频所需的正交本振信号，并输出至各个通道的二次正交下变频器。

优选地，各个通道中各自设置有：可调增益放大器、模数转换器，将各通道中的中频转换信号由模拟量转换成包含极性及幅度的两位数字信号，向片外的数字基带芯片发送；各个通道中还各自设置有可调增益放大器控制电路，将幅度信号反馈至可调增益放大器，来进行信号强度的检测。

优选地，所述频率综合器中还包含与第一级分频器连接的采样时钟分频器，其按照设定的相应分频系数，分别对第一级分频器的输出结果进行分频后得到相应的采样时钟，并输出至各个通道的模数转换器。

优选地，所述多通道导航射频接收机设置的多个通道，对应接收俄国Glonass卫星信号、中国北斗卫星信号、以及美国GPS卫星信号和欧洲Galileo卫星信号。

与现有技术相比，本发明的多通道导航射频接收机，其优点在于：本发明的系统架构及相应的系统频率规划可以广泛用于单通道、双通道及多通道导航射频芯片设计。基于本发明的接收机使用了共享的射频前端，很大程度提高了导航及定位精度，即能节省功耗，又能节省成本，达到与单通道方案一样的低功耗和低成本。

本发明的系统架构中采用了二次正交下变频的设计，声表面波滤波器可有效滤除射频干扰信号；二次混频器之后设置的中频滤波器，通过设置不同的带宽及中心频率，有效滤除带外干扰，提高了整个系统的信噪比；同时结合声表面波滤波器在射频信号端的带外抑制效果，使得基于该系统架构的镜像抑制性能得到提高。

本发明中的采样时钟由锁相环分频后得到，因而在基于本架构的频率规划时，芯片的片外晶体振荡器可以在很大范围内选择使用，不再受应用的限制。而传统的采样时钟由芯片直接整形后得到，则该频率或者说外部晶体振荡器的频率因为基带频率的要求比较固定，几乎没有可选择的余地。其次，由于本发明的采样时钟由锁相环分频后得到，则该采样时钟跟锁相环信号同步，减小了基带解调误差，提高整个系统的信噪比；而传统采样时钟由芯片直接整形后得到，频率同步性能较差。

多通道射频导航接收机将为航海、勘测、测绘、渔业等需要高精度卫星定位导航的行业带来一次革命，使得民用市场上的导航产品达到高精度要求，而依然保持民用市场的成本。

附图说明

图1是传统的单通道导航射频接收机芯片架构的示意图；

图2是本发明所述新的多通道导航射频接收机的系统架构示意图；

图3是基于本发明的三/四通道导航射频接收机的示意图。

具体实施方式

如图2所示，是本发明提供低功耗的导航射频接收机系统架构，同时能接收美国GPS卫星信号、中国北斗卫星信号、欧洲Galileo卫星信号和俄国Glonass卫星信号。多个通道采用两次下变频系统架构。

其中，为多个通道共用的射频前端，包含：一个低噪声放大器11（LNA），一个片外声表面波滤波器21（SAW FILTER），一个射频预放大器31（RFA），一套共用的一次正交下变频器41和42（Mixer I，Mixer Q）。所述一次正交下变频器41和42的本振信号LOI和LOQ由一个单一的射频锁相环（RFPLL）所提供，即该射频锁相环为多个通道所共用；一次正交下变频器41和42所输出的中频信号，包括为不同导航系统所用的下变频信号。

各通道对应设置有：二次正交下变频器51和52，53和54，55和56，复数带通中频滤波器61、62、63，可调增益放大器（VGA）71、72、73，模数转换器（ADC）81、82、83，以及可调增益放大器控制电路（VGA Controller）91、92、93。各个通道中第二次下变频所需的正交本振信号LO2N和LO2P，是由上述的同一个频率综合器的射频锁相环产生，并且经对应的分频器171、172、173分频后提供的。各个模数转换器81、82、83的采样时钟，也是由同一个射频锁相环产生并经分频器174分频后提供的。

如图3所示，提供一个基于本发明的具体示例，是能够实现3/4通道的导航射频接收机系统架构及频率规划，其中各个通道的架构类似，而在二次变频的本振信号方面各有不同。

首先，GPS/Galileo（MSAS、GAGAN）、北斗B1、Glonass卫星导航系统的射频信号，由天线（未画出）接收到地面，通过同一个射频输入口（LNA_IN）被接收到共同的一个信号通道中，由低噪声放大器11放大处理后，其输出信号发送至片外声表面波滤波器21，将外界杂波、不需要的干扰信号滤掉，再从第二级射频输入口（MIXER_IN）接回到片内的射频预放大器3（RFA）作进一步放大后，输出到一次正交下变频器41和42。

所述一次正交下变频器41和42的输出信号，包括：第一通道的Glonass，第二通道的北斗B1，第三通道的GPS/Galileo等等一次下变频的多种不同中频信号。此中频信号经过二次正交下变频器51和52，53和54，55和56进行二次下变频，第二次的下变频的正交本振信号LO2N和LO2P是由同一个频率综合器RFPLL通过不同分频器171、172、173分频后产生并提供的。

在复数带通中频滤波器61、62、63处，通过设置中频滤波器的不同中心频率计滤波带宽，对二次正交下变频器输出的信号进行信道选择，镜像抑制和带外杂散抑制，在三个不同通道内，过滤出在带宽内的需要被解调的中频信号，带宽外的任何信号或噪声可以得到充分的过滤。

经过滤波后，第一通道CH1仅仅留下Glonass的8MHz的有用信号，第二通道CH2保留BD1的4MHz带宽有用信号，第三通道CH3保留GPS（Galileo）的2MHz（4MHz）带宽的有用信号（CH3通道的有用信号同样适用于MSAS、GAGAN的兼容GPS信号）。

上述二次下变频信号作为最终的中频输出信号，经各通道对应的可调增益放大器71、72、73放大后，提供适度的信号强度给对应的模数转换器81、82、83，从而把中频模拟信号转换成包含极性SIGN及幅度MAG的两位数字信号。最后这些数字信号被输出至外部的数字基带芯片(未画出)做信号处理。

各个模数转换器81、82、83的MAG信号输出，分别被用作可调增益放大器71、72、73输出信号强度的检测，通过对应的可调增益放大器控制电路91、92、93反馈到可调增益放大器的增益控制电压端，来控制恒定的VGA输出幅度给模数转换器81、82、83。

多个通道的模数转换器81、82、83的采样时钟是由同一个频率综合器的射频锁相环产生并经分频器174分频后提供的。这个模块的设计必须考虑使导航基带的时钟信号频率越低越好，但是频率必须大于各自最大中频的2倍。表1中示出了本发明上述实施例的频率规划。

表1

本发明不限于上述提供的具体实现方式，其适用范围广泛包括多模、双通道、单模单通道或者三通道、四通道的导航射频芯片设计的单一锁相环的二次变频系统架构和频率规划，同时还包括GPS、北斗、Galileo、Glonass、MSAS和GAGAN在内的多通道导航射频芯片设计的单一锁相环的二次变频架构频率规划。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种多通道导航射频接收机，其特征在于，

设置有多个通道对应接收多个不同导航卫星的信号；多个通道共用了射频前端及频率综合器的射频锁相环；

2.如权利要求1所述的多通道导航射频接收机，其特征在于，

所述射频前端中，进一步包含：依次连接的低噪声放大器、片外声表面波滤波器、射频预放大器，该射频预放大器的输出端连接至所述一次正交下变频器的输入端。

3.如权利要求1所述的多通道导航射频接收机，其特征在于，

所述频率综合器的射频锁相环中，进一步包含：依次连接的鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、第一级分频器、预分频器、反馈分频器，该反馈分频器的输出端连接至所述鉴频鉴相器的输入端构成一个为多个通道共用的反馈回路；

4.如权利要求3所述的多通道导航射频接收机，其特征在于，

所述频率综合器中还包含分别与第一级分频器连接的多个第二级分频器，其按照各自设定的分频系数，分别对第一级分频器的输出结果进行分频后得到进行第二次下变频所需的正交本振信号，并输出至各个通道的二次正交下变频器。

5.如权利要求1或3所述的多通道导航射频接收机，其特征在于，

各个通道中各自设置有：可调增益放大器、模数转换器，将各通道中的中频转换信号由模拟量转换成包含极性及幅度的两位数字信号，向片外的数字基带芯片发送；各个通道中还各自设置有可调增益放大器控制电路，将幅度信号反馈至可调增益放大器，来进行信号强度的检测。

6.如权利要求5所述的多通道导航射频接收机，其特征在于，

所述频率综合器中还包含与第一级分频器连接的采样时钟分频器，其按照设定的相应分频系数，分别对第一级分频器的输出结果进行分频后得到相应的采样时钟，并输出至各个通道的模数转换器。

7.如权利要求1所述的多通道导航射频接收机，其特征在于，

所述多通道导航射频接收机设置的多个通道，对应接收俄国Glonass卫星信号、中国北斗卫星信号、以及美国GPS卫星信号和欧洲Galileo卫星信号。