CN108603940A - 卫星导航接收器的多信道多系统射频单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于卫星导航接收器的多系统射频单元,并且可用于同时接收来自多个导航系统GLONASS、GPS、Galileo、BeiDou、IRNSS和QZSS的导航信号的随机组合。本单元使用片上系统技术制造,包括四个相同的可独立配置的接收信道,该信道被高度隔离防止相互信号渗透和干扰,具有用于为所有四个信道产生单外差信号的模式的两个外差频率合成器,用于正交混频器的外差正交信号产生器,以及用于自动地校准中频滤波器的频带的系统。每个接收信道包括具有图像信道抑制的正交混频器,被设计为允许选择上或下阻带,以及用于中频增益控制的自动数模系统。当要求保护的单元在操作时,来自给定范围的随机参考频率以及来自给定范围的随机转换频率在接收信号时被用于正交混频器。用于相关器的时钟频率是从由两个内置的频率合成器中的任何一个产生的外差频率中得到的。
Description
本发明涉及导航卫星接收器(NSR)的多系统射频单元,以及可用于同时接收导航信号来自多个导航系统:俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONAS)、美国全球定位系统(GPS)、欧盟和欧洲航天局的全球导航卫星系统(Galileo)、中国的导航卫星系统(BeiDou/COMPASS)、印度的区域导航卫星系统(IRNSS)和日本的区域导航卫星系统(QZSS)。
众所周知,通过导航器同时使用多个系统可减少位置坐标误差。此外,“混合式”导航器同时“看到”的卫星多于只能够使用提供更高的接收可靠性的一个系统进行操作的设备[1]、[2]。
从现有技术[3]已知多系统导航卫星接收器包括功率分配器、射频信道转换器、10MHz频率外差参考信号源、电源供应单元、信号处理模块和输入-输出接口模块。
从现有技术还已知多系统信号接收器(CN202533579U)包括射频单元、射频信道转换器、外差参考信号源、能够同时接收来自四个不同导航卫星系统-GPS、GLONASS、BeiDou-1和BeiDou-2的在宽频谱中的信号的信号处理模块[4]。
以上信号接收器的缺点是,它们被提供单一的公共信号输入,并且为每个使用的导航卫星系统提供固定信道,因此限制来自导航卫星系统的待处理信号的可能组合的数量。
导航卫星系统的多模多频接收器从现有技术中是已知的。该设备包括低噪声放大器、功率分配器和多个射频信号处理电路,包括第一串联连接SHF键、多个带通滤波器、第二SHF键、高频低噪声放大器、混频器、中频滤波器、放大器和自动增益控制系统[5]。
该信号接收器的缺点是其还包括来自四个信道的信号的单一的公共输入,每个信道被划分为固定的信号范围,并且其还为每个信道使用单独的合成器。
要求保护的多信道多系统射频单元被配置为当用户的接收设备位于地球空间的任何点时,优化它们的操作,提高确定接收设备位置的准确性,同时保持这些设备的紧凑性,并降低接收设备的能量消耗。
基于“片上系统”技术制造的要求保护的导航卫星接收器的多信道多系统射频单元,其使用具有一个输入信号频率转换的接收路径结构,被设计用于同时操作导航卫星系统的信号的组合,该导航卫星系统包括俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONAS)、美国全球定位系统(GPS)、欧盟和欧洲航天局的全球导航卫星系统(Galileo)、中国的导航卫星系统(BeiDou/COMPASS)、印度的区域导航卫星系统(IRNSS)和日本的区域导航卫星系统(QZSS),其中的每个信道都包括低噪声放大器,低噪声放大器的输出与具有抑制图像信道的正交混频器的输入连接,正交混频器与具有可调节的通带的中频滤波器串联连接,中频滤波器的输出连接到中频增益控制放大器的输入,来自中频增益控制放大器的信号被提供给具有阈值的两位模数转换器和输出线路缓冲器的输入,两位模数转换器的输出与模数输出信号检测器连接,模数输出信号检测器具有数模转换器以控制中频放大器的增益,中频放大器包括自动中频滤波器带校准系统,具有锁相环频率控制的两个频率合成器,其中每个都包括电压控制产生器,电压控制产生器耦接到前置分频器,来自前置分频器的信号被提供给两个串联连接的分配器的输入以形成相关器的时钟频率,以及被提供给集成在锁相环中的分配器,锁相环连接到频率相位检测器的输入,到频率相位检测器的第二输入,提供来自参考频率分配器的信号以形成比较频率,同时输出连接到频率合成器滤波器、正交混频器的正交外差信号驱动器以及配备有用于每个功能单元的电压稳定器的电源模块、晶体温度传感器、用于控制部件操作模式以及整个多信道多系统射频单元的配置的串联接口。
多信道多系统射频单元导航卫星接收器包括四个相同的可独立配置的接收信道,具有从信号的渗透和污染(干扰,contaminating)信号的高隔离度。
设备输入和输出相对于壳体角部对称地定位,以提供壳体寄生延迟相似性。
外差频率合成器中的一个用作第一接收信道和第二接收信道的外差信号源,而另一个用作第三接收信道和第四接收信道的外差信号源,公共外差信号产生模式对于所有四个信道都可用。
当要求保护的导航卫星接收器的多信道多系统射频单元正在操作时,在接收到信号的同时,来自指定频带的随机参考频率以及来自指定频带的随机转换频率被用于正交混合器,与其相关,所有导航系统的信号的组合频谱都可以对称和不对称地定位。
低噪声放大器在每个接收信道的输入都配备有自动增益控制系统。
在每个接收信道中的具有图像信道抑制的正交混频器,适于选择上或下阻带。
导航卫星接收器的多信道多系统射频单元包括具有数模中频增益控制的中频放大器。
此外,用于相关器的时钟频率是通过从两个集成的频率合成器中的任何一个产生的外差频率中得到的。
图中示出了要求保护的发展,其中显示了提供的基于“片上系统”技术制造的导航卫星接收器的多系统射频单元的框图。
从图中可以看出,射频单元1具有用于分别为每个接收信道6、7、8和9连接GPS/GLONASS/Galileo/BeiDou/IRNSS/QZSS天线模块的输出2、3、4和5。经由输出2,天线模块连接到与自动增益控制系统(AGC)11配备的低噪声放大器10的输入,其的输出连接到具有阻带选择的正交混频器的输入,包括混频器12和13,正交外差信号从正交外差信号驱动器14和多相滤波器(移相器-加法器)15到达混频器。多相滤波器15的输出连接到混频器的缓冲器16的输入,该缓冲器的输出连接到具有可调谐通带的中频滤波器17。滤波器17的输出连接到中频放大器(IFA)18的输入。IFA 18的输出连接到差分模拟缓冲器19和模数转换器(ADC)20的输入,该差分模拟缓冲器和模数转换器的输出连接到输出21,来自导航系统的模拟或数字信号经由该输出到达外部相关器22。中频部分(IF)的输出模拟和数字信号由检测器23检测,该检测器能够设置来自集成的数模转换器(未示出)的检测级,其代码经由串联接口单元24指定。检测器23的输出控制信号到达IFA 18的增益控制输入,形成IFA的AGC系统。IF部分的AGC可以在以下多种模式下操作:
-具有线路差分输出,以及AGC在输出线路信号上操作,
-具有来自集成的两位的模数转换器(ADC)20的数字输出,该转换器的阈值是经由串联接口24设置的,而AGC系统的检测器23的信号由IFA 18的输出提供,
-具有来自集成的两位的ADC 20的数字输出,以及AGC系统的检测器23的信号是从ADC 20的输出提供的,而检测阈值是使用集成的DAC经由串联接口24设置的,使得幅度数字信号中的集成的增益百分比等于在集成的DAC上设置的直接或附加代码。
逻辑一级可以经由串联接口24被编程用于数字输出,并且输出电压摆幅也可以被编程用于差分输出。
信道7、8和9与信道6相同。
当射频单元通电时,使用来自外部标准信号发生器26的频率作为参考频率,利用锁环系统25自动调谐IF滤波器通带。如果需要,可以改变IF滤波器通带,通过经由串联接口24设置相应的代码并且还可以发起锁环系统的启动。每个滤波器都可以具有单独编程的通带。在这种情况下,在启动自动校准系统时,逻辑自动化将根据指定的通带应用校正码。
射频单元包括两个频率合成器27和28。频率合成器27包括电压控制产生器(VCG)29,其差分输出连接到正交外差信号驱动器30和31的输入以及VCG频率分配器32产生用于外部相关器22的操作的时钟信号。VCG频率分配器32的输出连接到频率分配器33的输入,该频率分配器产生VCG划分频率,VCG划分频率被提供给频率相位检测器(FPD)34以及提供给分配器35的输出,该分配器35的输出连接到分配器36的输入。由从外部标准信号发生器26的输出提供的,由参考频率37的分配器产生的比较频率信号被馈送到FPD 34的第二输入。FPD 34的输出与锁相环(PLL)连接到频率合成器27的集成的滤波器38的输入。滤波器38的输出连接到VCG 29的控制输入。分配器32、33和37的分配比经由串联接口24编程。频率合成器27的频带可以通过控制滤波器38来调谐,该滤波器的元件参数是经由串联接口24设置的。VCG 29包括当导航卫星接收器的多信道多系统射频单元通电时或当经由串联接口24发出相应命令时的自动子带调谐系统。
频率合成器28类似于频率合成器27。区别在于,来自VCG 29的差分输出的信号不是提供给两个正交外差信号驱动器,而是提供给一个正交外差信号驱动器39。
使用开关14和40实现以下操作模式:
-频率合成器27产生外差信号用于信道6和7以及频率合成器28用于信道8和9,
-频率合成器27产生公共外差信号用于所有四个接收信道。
多路复用器41用于选择相关器22时钟频率的源,该相关器时钟频率的源是从任何频率合成器产生的外差频率中获得的。多路复用器41输出连接到放大器42输入。
在导航卫星接收器的多信道多系统射频单元的图中所示的接收路径是基于具有低IF的单一转换的图形成的。公共的外部天线单元用于所有信道,并且前者提供到达四个独立的相同信道的信号,其中每个信道包括:配备有自动增益控制系统的低噪声放大器;具有图像信道抑制的正交混频器,其适于选择阻带(高于或低于外差频率);具有可调谐通带的中频滤波器;中频增益控制放大器;输出线路缓冲器;具有阈值的两位模数转换器;模拟/数字输出信号检测器;数模转换器,其经由提供其多功能使用性的串联接口来控制中频放大器的增益。为了转换所有导航系统的信号,使用了一个公共的或两个不同的正交外差信号源,该信号源是使用完全集成的频率合成器产生的。
从正交混频器的输出到IF输出的接收路径可以经由允许特别地提高抗干扰性的串联接口而以不同的方式配置。
来自正交混频器输出的信号被提供给宽带移相器-加法器,其该移相器-加法器在宽频带中移动来自正交混频器的输出信号的相位,并对其它们进行叠加(相加,sum up)。在这种情况下,所需信号被相位叠加,而图像信号相对关于所需的一个在反相位相反。移相器-加法器是基于相同的方案构造的,但连接到公共正交混频器的输出,使得只有一部分比外差频率高(低)的频谱的部分到达一个移相器-求和加法器的输出端。因此,在移相器-加法器输出端,频谱中比外差频率低于(高于)外差频率的频谱的部分中的干扰,在移相器-加法器的输出将被抑制。在这种情况下,窄带干扰将不会同时阻止使用由服从隶属于所要求保护的实用新型的射频单元制造的多系统导航卫星接收器(SNR)的所有系统的信号接收,这其提高了在复杂的接收条件下的定位有效性,即提高了导航卫星接收器的抗干扰性。
合成器和每个信道的功能单元(HF部分,IF部分)的电压稳定器43被配置为形成稳定的电压源和电绝缘。
此外,该设备包括参考电流和电压源44以及晶体温度传感器45。
基于“片上系统”技术设计的导航卫星接收器的多信道多系统射频单元的原型是使用“NTLab-SYSTEMS”CJSC的设计文件制造的,并且组装在QFN型88引脚封装中,其中引脚间距为0.4mm,并且封装尺寸如下:长-10mm、宽-10mm、高-0.85mm。
1.http://www.nis-glonass.ru/about-glonass/gps/
2.http://cyberleninka.ru/article/n/metod-isklyucheniya-oshibok-opredeleniya-mestopolozheniya-pri-odnovremennom-ispolzovanii-navigatsionnyh-sistem
3.China Patent CN 203224629 U,priority 02.10.2013,https://patents.google.com/patent/CN203224629U/en
4.China Patent CN 202533579 U,priority 14.11.2012,https://patents.google.com/patent/CN202533579U/en
5.China Patent CN 103117767 A,priority 22.05.2013,https://patents.google.com/patent/CN103117767B/en
Claims (9)
1.一种要求保护的导航卫星接收器的多信道多系统射频单元,基于“片上系统”技术制造,其使用具有一个输入信号频率转换的接收路径结构,被设计用于同时操作导航卫星系统的信号的组合,所述导航卫星系统包括俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONAS)、美国的全球定位系统(GPS)、欧盟和欧洲航天局的全球导航卫星系统(Galileo)、中国的导航卫星系统(BeiDou/COMPASS)、印度的区域导航卫星系统(IRNSS)和日本的区域导航卫星系统(QZSS),所述导航卫星接收器的多信道多系统射频单元的每个信道都包括低噪声放大器,所述低噪声放大器的输出连接到具有图像信道抑制的正交混频器的输入,所述正交混频器与具有可调谐的通带的中频滤波器串联连接,所述中频滤波器的输出连接到中频增益控制放大器的输入,来自所述中频增益控制放大器的信号被提供给具有阈值的两位模数转换器和输出线路缓冲器的输入,所述两位模数转换器的输出连接到模拟/数字输出信号检测器,所述模拟/数字输出信号检测器具有数模转换器以控制中频放大器的增益并且其还包括自动中频滤波器带校准系统,具有锁相环频率控制的两个频率合成器,所述频率合成器中的每个都包括电压控制产生器,所述电压控制产生器耦接到前置分频器,来自所述前置分频器的信号被提供给两个串联连接的分配器的输入以形成相关器的时钟频率,以及被提供给集成在所述锁相环中的所述分配器,所述锁相环连接到频率相位检测器的输入,到所述频率相位检测器的第二输入,来自参考频率分配器的信号被提供以形成比较频率,同时所述输出连接到频率合成器滤波器、正交混频器的外差正交信号驱动器以及配备有用于每个功能单元的稳压器的电源模块、晶体温度传感器、用于控制部件操作模式以及整个多信道多系统射频单元的配置的串联接口。
2.根据权利要求1所述的导航卫星接收器的多信道多系统射频单元,其特征在于,其包括四个相同的可独立配置的接收信道,与信号渗透和污染信号高隔离度。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的导航卫星接收器的多信道多系统射频单元,其特征在于,输入和输出相对于壳体角部对称地定位,以提供壳体寄生延迟相似性。
4.根据权利要求1、2或3所述的导航卫星接收器的多信道多系统射频单元,其特征在于,其包括两个外差频率合成器,两个所述外差频率合成器中的一个用作第一接收信道和第二接收信道的外差信号源,而另一个用作第三接收信道和第四接收信道的外差信号源,公共外差信号产生模式对于所有四个信道都可用。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的导航卫星接收器的多信道多系统射频单元,其特征在于,在接收信号的同时,用于所述正交混频器的来自指定频带的随机参考频率以及来自指定频带的随机转换频率被使用,与其相关,所有导航系统的信号的组合频谱都可以对称和不对称地定位。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的导航卫星接收器的多信道多系统射频单元,其特征在于,其包括在每个接收信道的所述输入都具有自动增益控制系统的低噪声放大器。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的导航卫星接收器的多信道多系统射频单元,其特征在于,其包括在每个接收信道中的具有图像信道抑制的正交混频器,适于选择上或下阻带。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的导航卫星接收器的多信道多系统射频单元,其特征在于,其包括具有数字/模拟增益控制的中频放大器。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的导航卫星接收器的多信道多系统射频单元,其特征在于,用于所述相关器的所述时钟频率是从由两个集成的频率合成器中的任何一个产生的所述外差频率中得到的。
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