CN104483677B - 一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机 - Google Patents

一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机，该射频接收机主要包括射频信号接收链路以及本振信号发生电路；射频信号接收链路包括低噪声放大器、功分器、晶振、混频器、本振发声器及对应的带通滤波器、模数转换器；本振信号发生电路由一个集成锁相环电路和整数分频电路组成。本发明所提供的一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机，提高射了频接收机的灵敏度，减少了电路数量，缩小了芯片面积，降低了电路功耗和成本，接收机更易于芯片集成，可以广泛应用于大地测量、工程测量、精密变形监测、地球动力学研究、大地水准面精化、地震预报等精密应用领域。

Description

一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机
技术领域
本发明一种射频接收机，具体涉及一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机。
背景技术
目前，以GPS为主的卫星精密定位技术已广泛应用于大地测量、工程测量、精密变形监测、地球动力学研究、大地水准面精化、地震预报等精密应用领域，成为数以万计的单位的必备手段，卫星定位技术凭借其高效、快速等优点取代了常规测量手段。
对于卫星定位导航系统，准确有效的定位信息主要依赖于足够的可见卫星数。当前的GPS系统中，正常情况下应该能够保证接收机有7颗可见卫星提供定位信息，但是由于遮挡及卫星定位信号本身的原因，少数情况下可见卫星会降到4颗以下，这样接收机就不能正常的完成定位功能，形成导航定位的盲区。GLONASS系统由于目前工作卫星数目较少，类似的情况更容易发生。排除技术方面的原因，还有一些其他的因素影响卫星定位导航系统的正常服务。GPS是美国军用定位导航系统，因而美国保留在任何不加警告的情况下，对GPS信号进行加密的权力。GPS先用P码和C/A码，后用SA(选择可用性)和AS(反欺)技术来控制民间用户。SA政策是一种是使非军事用户及未授权用户不能得到高精度定位的一种限制政策。在施加SA时GPS的平面精度到100m(95％可能性)。虽然目前美国取消了SA。使民用GPS的定位精度也能达到一个比较高的水平，但是由于多方面的政治和军事原因，GPS的精度不能有一个持久稳定的保证。目前靠单一的GPS系统的技术，还难以满足全方位的应用需求，卫星导航将从GPS时代向GNSS时代转变，形成多模式多系统并存的局面，多模式多系统构成的GNSS在可用性、连续性和完好性方面的保障将远比单一系统好。
因此，出于国家安全和经济社会发展的需要，必须大力推广我国自主的北斗卫星导航系统的应用。作为我国自主研发的北斗卫星导航定位系统，随着全球布网逐渐完成，在国家相关政策扶植下，必然会进入到越来越多的应用领域。
目前市场上GPS接收机占绝大多数，考虑安全性、稳定性和高精度的前提下，将出现兼容北斗的多模GNSS OEM板卡替代单纯的GPS/GLONASS OEM板卡的现象。国内卫星导航接收机的起步较晚，国内多频点多模式OEM板卡市场一度被国外的Trimble、Novatel和ASHTECH等厂商统治，多模接收机的核心专利都被欧美厂商控制。北斗卫星导航系统正在建设、部署和完善，基于北斗卫星导航系统的应用市场不断扩大，行业空间巨大，目前正处于占领和扩大市场关键阶段。为了实现导航接收机自主创新和对北斗导航系统的支持，研制适合北斗系统并兼容其他导航系统的8频点多模式的OEM板卡已成为必然。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机，该射频接收机主要包括射频信号接收链路以及本振发声器，能够提高射频接收机的灵敏度，减其小功耗，减少电路数量，降低成本。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机，该射频接收机包括射频信号接收链路以及本振发声器；
所述射频信号接收链路包括低噪声放大器、功分器、晶振、混频器、本振发声器及对应的带通滤波器、模数转换器；所述本振发声器由一个集成锁相环电路和整数分频电路组成；
所述低噪声放大器的输入端接收外部射频信号，低噪声放大器的输出端连接功分器的信号输入端和输出端B1/L1/G1；
所述输出端B1/L1/G1通过射频前端LNA电路与ADC转换芯片相连；
所述LTCC功分器输出端分别连接G2/B3电路和B2/L2/G3电路；G2/B3电路通过混频器1直接上变频与ADC转换芯片连接，B2/L2/G3电路经声表滤波器Ⅰ再通过混频器2直接上变频与ADC转换芯片连接；
所述ADC转换芯片具有放大、混频、滤波、模数转换功能，ADC转换芯片外接滤波器并通过外部SPI线配置芯片内部寄存器，得到系统要求的数字输出信号，进入后级电路。
进一步，所述本振发声器由整数锁相环电路构成，包括数字鉴频鉴相器PFD、电荷泵CP、电感、低通滤波器、压控振荡器VCO、预分频器PRESCALER和∑-Δ整数分频器；
所述压控振荡器输出的高频信号经预分频器得到中频处理的数字信号；该数字信号经∑-Δ整数分频器得到比较时钟信号；
所述比较时钟信号与时钟输出电路输入的参考时钟信号fin作为鉴频鉴相器的两个输入信号；
这两个输入信号经鉴频鉴相器得到它们之间的相位差信号，该相位差信号依次经过电荷泵、电感和低通滤波器得到与相位差信号对应的电压；该电压作为压控振荡器的控制电压，来补偿压控振荡器的相位误差，当相位误差小于规定值时，锁相环路保持动态平衡的锁定状态，此时压控振荡器的输出即为锁相环电路的输出信号。
进一步，所述功分器电路由电阻，电感及电容所组成，其衰减理论值可达3.5dB，隔离度可达20dB以上。
进一步，所述ADC转换芯片包括双输入LNA、混频器、镜频抑制滤波器、PGA、VCO、N分频频率合成器、晶体振荡器和多位ADC。
进一步，所述的低噪声放大器，噪声系数1.2dB，增益为15.8dB，功耗为0.06W，大小为1.3mm×1.7mm。
进一步，所述晶振为25MHz的温度补偿型石英晶体谐振器，频率稳定度小于0.2ppm。
进一步，所述混频器的射频，中频以及本振的频率范围都是0～2500MHz，隔离度在25dB以上。
进一步，所述带通滤波器在1160～1240MHz频率范围内插入损耗为4dB；带外衰减至少为32dB以上；群延迟为12ns。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机，采用ADC转换芯片具有双输入LNA、混频器、镜频抑制滤波器、PGA、VCO、N分频频率合成器、晶体振荡器和多位ADC，该接收器的总噪声系数低至1.4dB，该芯片内部集成了单芯片滤波器，无需外部IF滤波器，仅需少量外部元件即可构建完整的低成本RF接收机方案，优化了整个电路的性能，能够提高射频接收机的灵敏度，减少了电路数量，缩小了芯片面积，降低了电路功耗和成本。接收机更易于芯片集成，可以广泛应用于大地测量、工程测量、精密变形监测、地球动力学研究、大地水准面精化、地震预报等精密应用领域，成为数以万计的单位的必备手段，卫星定位技术凭借其高效、快速等优点取代了常规测量手段。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明的系统结构图；
图2为本技术方案低噪声放大器连线图；
图3为本技术方案功分器的连线图；
图4为本技术方案晶振的连线图；
图5为本技术方案混频器的连线图；
图6为本技术方案本振发声器的连线图；
图7为本技术方案带通滤波器的连线图；
图8为本技术方案ADC模数转换器的连线图；
图9为ADC模数转换器内部寄存器配置软件界面。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明的系统结构图，如图所示，本发明所述射频信号接收链路包括低噪声放大器、功分器、混频器、本振发声器及对应的带通滤波器、模数转换器。所述低噪声放大器的输入端接收外部射频信号；低噪声放大器的输出端分成两路，一路连接电阻式功分器的信号输入端，另一路连接输出端B1/L1/G1；输出端B1/L1/G1通过射频前端LNA电路把射频信号直接连接到一种ADC转换芯片上；LTCC功分器输出端分别连接G2/B3电路和B2/L2/G3电路；G2/B3电路通过混频器1直接上变频与ADC转换芯片连接，B2/L2/G3电路经1160MHz～1240MHz带通声表滤波器Ⅰ再通过混频器2直接上变频与ADC转换芯片连接；这些用于GPS，GLONASS，北斗及导航卫星系统的ADC转换芯片具有放大、混频、滤波、模数转换功能，可以在芯片外接滤波器后，通过外部SPI线配置芯片内部寄存器，得到系统要求的数字输出信号，进入后级电路。
本振发声器由整数锁相环电路构成，包括数字鉴频鉴相器PFD、电荷泵CP、电感、低通滤波器、压控振荡器VCO、预分频器PRESCALER和∑-Δ整数分频器；
压控振荡器输出的高频信号经预分频器得到中频处理的数字信号；该数字信号经∑-Δ整数分频器得到比较时钟信号；该比较时钟信号与时钟输出电路输入的参考时钟信号fin作为鉴频鉴相器的两个输入信号；这两个输入信号经鉴频鉴相器得到它们之间的相位差信号，该相位差信号依次经过电荷泵、电感和低通滤波器得到与相位差信号对应的电压；该电压作为压控振荡器的控制电压，来补偿压控振荡器的相位误差，当相位误差小于规定值时，锁相环路保持动态平衡的锁定状态，此时压控振荡器的输出即为锁相环电路的输出信号。
图2为本技术方案低噪声放大器连线图。该低噪声放大器增益可达20dB,噪声系数为1.3dB,具有关断休眠功能，频率范围为100～1700MHz，供给电压为1.5V～3.6V，功耗为0.06W，体积小，大小为1.3mm×1.7mm适合OEM板卡的集成。
图3为本技术方案功分器的连线图。这种功分器是由电阻、电容以及电感所组成，其特点是在8个频点范围内隔离度高，理论值可达20dB以上，衰减理论值为3.5dB，与一般电阻式功分器相比，衰减小很多，隔离度要高许多；
图4为本技术方案晶振的连线图。此晶振采用25MHz的温度补偿型石英晶体谐振器，具有精度高等特点，其频率稳定度小于0.2ppm，成本较低，节省印制电路板(PCB)尺寸和空间，适用于小型和低压小电流场合。
图5为本技术方案混频器的连线图。这种混频器有以下特征：混频器的射频，中频以及本振的频率范围都是0～2500MHz，电源电压范围为2.7V～5.5V；单端输出，无巴伦要求；单端输入的RF和LO；良好的隔离特性3个端口之间的隔离度至少是在25dB以上；具有掉电关断模式；IP3和压缩点可编程；3个端口理论上都可达到2.5GHz工作频率。
图6为本技术方案本振发声器的连线图。此本振发声器具有以下特征：本振输出频率范围为65MHz至400MHz；3.0V至3.6V电源供电；1.8V逻辑兼容；整数N分频合成器；可编程的输出功率电平；3线串行接口；数字锁定检测；硬件和软件省电模式。通过SPI接口写芯片内部R寄存器，C寄存器以及N寄存器就可以实现单频点的输出。
图7为本技术方案带通滤波器的连线图。此带通滤波器为声表滤波器，具有以下特征：在1160～1240MHz频率范围内插入损耗为4dB；带外衰减至少为32dB以上；群延迟12ns；体积小，便于集成。
图8为本技术方案ADC模数转换器的连线图。此ADC模数转换器具有双输入LNA、混频器、镜频抑制滤波器、PGA、VCO、N分频频率合成器、晶体振荡器和多位ADC，该接收器的总噪声系数低至1.4dB，该芯片内部集成了单芯片滤波器，无需外部IF滤波器，仅需少量外部元件即可构建完整的低成本RF接收机方案，优化了整个电路的性能，又减少了电路数量，缩小了芯片面积，降低了电路功耗和成本。芯片内部有10个寄存器，通过相关配置寄存器的软件设置，就可以得到相应的16位控制字，再通过SPI配置内部的LNA、混频器、镜频抑制滤波器、PGA、VCO、N分频频率合成器、晶体振荡器和多位ADC，得到系统要求的数字输出信号，进入后级电路，如图9所示。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机，其特征在于：该射频接收机包括射频信号接收链路以及本振发声器；
所述射频信号接收链路包括低噪声放大器、功分器、晶振、混频器、本振发声器及对应的带通滤波器、模数转换器；
所述本振发声器由一个集成锁相环电路和整数分频电路组成；
所述低噪声放大器的输入端接收外部射频信号，低噪声放大器的输出端连接功分器的信号输入端和输出端B1/L1/G1；
所述输出端B1/L1/G1通过射频前端LNA电路与ADC转换芯片相连；
所述功分器的输出端分别连接G2/B3电路和B2/L2/G3电路；G2/B3电路通过混频器1直接上变频与ADC转换芯片连接，B2/L2/G3电路经声表滤波器Ⅰ再通过混频器2直接上变频与ADC转换芯片连接；
所述ADC转换芯片具有放大、混频、滤波、模数转换功能，ADC转换芯片外接滤波器并通过外部SPI线配置芯片内部寄存器，得到系统要求的数字输出信号，进入后级电路；
所述本振发声器由整数锁相环电路构成，包括数字鉴频鉴相器PFD、电荷泵CP、电感、低通滤波器、压控振荡器VCO、预分频器PRESCALER和∑-Δ整数分频器；
所述压控振荡器输出的高频信号经预分频器得到中频处理的数字信号；该数字信号经∑-Δ整数分频器得到比较时钟信号；
所述比较时钟信号与时钟输出电路输入的参考时钟信号fin作为鉴频鉴相器的两个输入信号；
两个输入信号经鉴频鉴相器得到它们之间的相位差信号，相位差信号依次经过电荷泵、电感和低通滤波器得到与相位差信号对应的电压；对应的电压作为压控振荡器的控制电压，来补偿压控振荡器的相位误差，当相位误差小于规定值时，锁相环路保持动态平衡的锁定状态，压控振荡器的输出即为锁相环电路的输出信号；
所述功分器电路由电阻，电感及电容所组成，其衰减理论值为3.5dB，隔离度为20dB以上；功分器包括电容C12、电容C16、电容C17、电容C18、电感L2、电感L5、电感L6、电阻R6、电阻R9、电阻R13，所述电感L2的一端、电感L5的一端、电感L6的一端并联后与电容C16的一端连接，电容C16的另一端接地，所述电感L3的另一端与电容C12的一端连接，电容C12的另一端与电感L5的另一端连接，电感L5的另一端与电容C18 的一端连接，电容C18的另一端与电感L6的另一端连接，所述电阻R6与电容C12并联，电阻R13与电容C18并联，电容C17的一端与电感L3的另一端连接，电容C17的另一端与电感器L6的另一端连接，所述电阻R9与电容C17并联；所述混频器包括混频芯片U10，混频芯片U10的电源端Vcc经电阻R20与电源Vcc_RF连接，混频芯片U10的电源端Vcc经接地电容C51接地，电源Vcc_RF经接地电容C50接地，所述混频芯片U10的RFin端与电容C52连接，电容C52的另一端经电阻R21接地，电容C52与电阻R21的公共端为所述混频器的输入端，混频芯片U10的P端经电阻R301接地，电阻R301两端并联电容C55，混频芯片U10的S0端经电阻R303接地，混频芯片U10的S0端经依次连接的电阻R302、电容C58接地，混频芯片U10的PD端与电源端连接，混频芯片U10的接地端接地，混频芯片U10的LO端接电容C59，混频芯片U10的IF端接电容C54。
2.根据权利要求1所述的一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机，其特征在于：所述ADC转换芯片包括双输入LNA、混频器、镜频抑制滤波器、PGA、VCO、N分频频率合成器、晶体振荡器和多位ADC。
3.根据权利要求1所述的一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机，其特征在于：所述低噪声放大器，噪声系数为1.2dB，增益为15.8dB，功耗为0.06W，大小为1.3mm×1.7mm。
4.根据权利要求1所述的一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机，其特征在于：所述晶振为25MHz的温度补偿型石英晶体谐振器，频率稳定度小于0.2ppm。
5.根据权利要求1所述的一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机，其特征在于：所述混频器的射频，中频以及本振的频率范围为0～2500MHz，隔离度在25dB以上。
6.根据权利要求1所述的一种8频点多模式卫星导航系统的射频接收机，其特征在于：所述带通滤波器在1160～1240MHz频率范围内插入损耗为4dB；带外衰减至少为32dB以上；群延迟为12ns。
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