CN117269995A - Gnss射频模块故障检测电路、方法及芯片、接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种GNSS射频模块故障检测电路，GNSS射频模块具有主射频通道电路，故障检测电路包括噪声脉冲发生电路、辅助射频通道电路、噪声采样缓存和运算单元，噪声脉冲发生电路周期性输出噪声脉冲模拟信号；辅助射频通道电路接收噪声脉冲模拟信号和GNSS射频信号并进行下变频处理，输出第一中频数字信号，辅助射频通道电路与主射频通道电路具有相同的电路结构；噪声采样缓存用于接收第一中频数字信号和第二中频数字信号，第二中频数字信号为主射频通道电路接收噪声脉冲模拟信号和GNSS射频信号进行下变频处理得到的；运算单元根据第一中频数字信号和第二中频数字信号计算辅助射频通道电路相对于主射频通道电路的频率响应函数，从而判断GNSS射频模块发生故障。
Description
技术领域
本发明涉及电路检测领域，尤其设计一种GNSS射频模块故障检测电路、方法及芯片、接收机。
背景技术
在GNSS导航接收机芯片的设计中，数模混合芯片是发展趋势。在数模混合芯片中，模拟射频（Radio Frequency）电路和数字基带（Base Band）电路集成在同一芯片内。尤其是随着自动驾驶技术的发展，符合ISO26262功能安全要求的车载GNSS导航接收机数模混合芯片越来越受到市场欢迎。ISO26262是汽车行业的一项国际标准，旨在确保汽车电子系统的安全性能。通过ISO26262的实施，汽车电子系统的设计、开发、测试和验证可以更加规范和标准化，从而提高汽车的安全性能。
为了满足ISO26262功能安全要求，芯片的数字部分设计可以采用双核锁步（DualCore Lock Step）、ECC或奇偶校验等多种成熟的方法，比较容易实现。但对于数模混合芯片的模拟电路部分，要能检测出硬件随机故障，满足ISO26262功能安全要求，目前并没有成熟的解决办法。
射频模块电路之所以难以采用双核锁步等在数字电路中应用很好的办法来检测硬件随机故障，根本原因是射频模拟电路信号在时间和空间上的连续性。所以，如何从射频连续信号中提取可供检测和判别的信号特征参数，是检测模拟射频电路硬件随机故障的关键。为了满足ISO26262功能安全要求，GNSS导航接收机芯片中的射频硬件故障检测就更为重要。
发明内容
基于上述现状，本发明的主要目的在于提供一种满足ISO26262功能安全要求，实现GNSS导航接收机芯片中的射频硬件故障检测的电路及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种GNSS射频模块故障检测电路，所述GNSS射频模块具有主射频通道电路，所述故障检测电路包括噪声脉冲发生电路、辅助射频通道电路、噪声采样缓存和运算单元；
所述噪声脉冲发生电路用于周期性输出噪声脉冲模拟信号，所述噪声脉冲模拟信号的频率等于GNSS射频信号的频率，所述噪声脉冲模拟信号的功率大于所述GNSS射频信号的功率；
所述辅助射频通道电路用于接收所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号并进行下变频处理，并输出第一中频数字信号，所述辅助射频通道电路与所述主射频通道电路具有相同的电路结构；
所述噪声采样缓存用于接收所述第一中频数字信号和第二中频数字信号，所述第二中频数字信号为所述主射频通道电路接收所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号并进行下变频处理得到的；
所述运算单元能够根据所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号计算所述辅助射频通道电路相对于所述主射频通道电路的频率响应函数，如果当前的频率响应函数相比上一次频率响应函数有跳变，则判断所述GNSS射频模块发生故障。
优选地，所述噪声脉冲发生电路包括噪声脉冲发生器、数模转换电路和信号调整电路，
所述噪声脉冲发生器用于周期性输出噪声脉冲数字信号；
所述数模转换电路用于对所述噪声脉冲数字信号进行数模转换；
所述信号调整电路用于将所述数模转换电路输出的噪声模拟信号上变频到所述GNSS射频信号的频率，并增大所述噪声模拟信号的增益，以得到所述噪声脉冲模拟信号。
优选地，所述噪声脉冲发生器包括噪声脉冲宽度值寄存器、噪声脉冲周期寄存器和增益值寄存器，
所述噪声脉冲宽度值寄存器用于接收并存储噪声脉冲宽度值；
所述噪声脉冲周期寄存器用于接收并存储噪声脉冲周期值；
所述噪声脉冲发生器根据所述噪声脉冲宽度值和所述噪声脉冲周期值，输出所述噪声脉冲数字信号；
所述增益值寄存器用于接收并存储增益调整值，所述信号调整电路根据所述增益调整值调整所述噪声脉冲模拟信号的增益。
优选地，所述噪声脉冲模拟信号的脉冲宽度小于所述GNSS射频信号的扩频伪码周期时间。
优选地，所述噪声脉冲模拟信号的脉冲宽度是百微秒级，所述噪声脉冲信号的周期是百毫秒级或秒级。
优选地，所述信号调整电路包括上变频器和增益放大电路，
所述上变频器用于将所述噪声脉冲模拟信号的频率上变频到所述GNSS射频信号的频率；
所述增益放大电路用于增大所述数模转换电路输出的噪声模拟信号，以使得所述噪声脉冲模拟信号的功率大于所述GNSS射频信号的功率。
优选地，所述噪声脉冲发生电路还用于生成时间同步信号至所述噪声采样缓存，所述时间同步信号与所述噪声脉冲模拟信号的前沿对齐，所述噪声采样缓存在接收到所述时间同步信号时，开始缓存所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号。
优选地，当所述噪声采样缓存所缓存的数据达到预设长度时停止缓存，并输出中断信号给所述运算单元。
优选地，所述预设长度对应的采样点个数为2048~4096。
优选地，所述运算单元在接收到所述中断信号时，根据所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号计算所述辅助射频通道电路相对于所述GNSS射频模块的射频电路的频率响应函数。
优选地，所述辅助射频通道电路包括射频电路和模数转换电路，
所述射频电路用于接收所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号，并进行下变频处理，得到第一中频模拟信号；
所述模数转换电路用于对所述第一中频模拟信号进行模数转换，以输出所述第一中频数字信号。
优选地，还包括功分器、第一合路器和第二合路器，
所述功分器用于将所述噪声脉冲模拟信号分为第一噪声模拟信号和第二噪声模拟信号，所述第一噪声模拟信号和第二噪声模拟信号相同；
所述第一合路器用于将所述第一噪声模拟信号和所述GNSS射频信号合并后输入至所述辅助射频通道电路；
所述第二合路器用于将所述第二噪声模拟信号和所述GNSS射频信号合并后输入至所述主射频通道电路。
本发明还公开一种GNSS射频电路，包括GNSS射频模块，所述GNSS射频模块具有主射频通道电路，还包括本发明所述的GNSS射频模块故障检测电路。
本发明还公开一种GNSS导航接收机芯片，包括本发明所述的GNSS射频电路，还包括CPU，其中，所述运算单元为所述CPU。
本发明还公开一种GNSS导航接收机，包括本发明所述的GNSS射频电路，或，如本发明所述的GNSS导航接收机芯片。
本发明还公开一种GNSS射频模块故障检测方法，所述GNSS射频模块具有主射频通道电路，包括步骤：
S10：周期性输出噪声脉冲模拟信号，所述噪声脉冲模拟信号的频率等于GNSS射频信号的频率，所述噪声脉冲模拟信号的功率大于所述GNSS射频信号的功率；
S20：利用一辅助射频通道电路将所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号进行下变频处理，得到第一中频数字信号，利用所述主射频通道电路将所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号进行同样的下变频处理，得到第二中频数字信号；
S30：接收并缓存所述第一中频数字信号和第二中频数字信号；
S40：根据所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号计算所述辅助射频通道电路相对于所述主射频通道电路的频率响应函数，如果当前的频率响应函数相比上一次频率响应函数有跳变，则判断所述GNSS射频模块发生故障。
优选地，所述步骤S10包括：
周期性输出噪声脉冲数字信号；
将所述噪声脉冲数字信号转化为噪声模拟信号；
将所述噪声模拟信号上变频到所述GNSS射频信号的频率，并增大所述噪声模拟信号的增益，以得到所述噪声脉冲模拟信号。
优选地，将所述噪声脉冲模拟信号的频率上变频到所述GNSS射频信号的频率，并增大所述噪声脉冲模拟信号的增益，以使得所述噪声脉冲模拟信号的功率大于所述GNSS射频信号的功率。
优选地，所述噪声脉冲模拟信号的脉冲宽度小于所述GNSS射频信号的扩频伪码周期时间。
优选地，所述噪声脉冲模拟信号的脉冲宽度是百微秒级，所述噪声脉冲信号的周期是百毫秒级或秒级。
优选地，对所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号进行下变频处理，得到第一中频模拟信号，对所述第一中频模拟信号进行模数转换，得到所述第一中频数字信号。
优选地，当接收到时间同步信号时，开始缓存所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号，当缓存数据达到预设长度时停止缓存，并上报中断信号。
优选地，所述预设长度对应的采样点个数为2048~4096。
优选地，当接收到所述中断信号时，根据所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号计算所述辅助射频通道电路相对于所述主射频通道电路的频率响应函数。
本发明针对GNSS导航接收机数模混合芯片设计，提出了一种基于周期性噪声注入的射频模块故障检测机制，设计了独立的噪声生成和注入模块，通过向互为冗余的两个射频模块同时注入相同的噪声脉冲，并在数字电路域上处理两个射频模块输出的采样噪声信号，通过选取较短的噪声脉冲周期和较长的脉冲间隔，不会对GNSS扩频信号体制下的接收机相干积分值产生明显影响，可计算出相对频率响应曲线，从而实现了模拟电路的特征参数提取。由于射频模拟电路的频率响应函数反应了电路输出信号相对于输入信号在所有关注频率上的变化，所以模拟射频电路各元件的故障都会反应到频率响应函数的变化上。所以，通过检测相对频率响应曲线的突变，即可检测射频模拟电路中与功能安全相关的硬件随机故障。
本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
以下将参照附图对本发明的GNSS射频模块故障检测电路的优选实施方式进行描述。图中：
图1为根据本发明的一种优选实施方式的GNSS射频模块故障检测电路框图；
图2为根据本发明的又一种优选实施方式的噪声脉冲发生电路框图；
图3为根据本发明的又一种优选实施方式的辅助射频通道电路框图；
图4为根据本发明的又一种优选实施方式的GNSS射频模块故障检测电路框图；
图5为基于本发明的GNSS射频模块故障检测电路的芯片架构示意图；
图6为基于本发明的GNSS射频模块故障检测电路的运行流程图；
图7为基于本发明的GNSS射频模块故障检测电路的时序图；
图8为根据本发明的一种优选实施方式的GNSS射频模块故障检测方法流程图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1为根据本发明的一种优选实施方式的GNSS射频模块故障检测电路框图，GNSS射频模块具有主射频通道电路，所述GNSS射频模块故障检测电路包括噪声脉冲发生电路10、辅助射频通道电路20、噪声采样缓存30和运算单元40。
噪声脉冲发生电路10用于周期性输出噪声脉冲模拟信号，且噪声脉冲模拟信号的频率等于GNSS射频信号的频率，噪声脉冲模拟信号的功率大于GNSS射频信号的功率，其中，GNSS射频信号为天线接收到的信号（含空间噪声、热噪声等）。通常，可以通过标定的方式测得GNSS射频信号的频率和功率。
辅助射频通道电路20用于接收所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号并进行下变频处理，并输出第一中频数字信号，所述辅助射频通道电路20与所述主射频通道电路具有相同的电路结构；
噪声采样缓存30用于接收所述第一中频数字信号和第二中频数字信号，所述第二中频数字信号为所述主射频通道电路接收所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号并进行下变频处理得到的；
运算单元40根据所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号计算所述辅助射频通道电路相对于所述主射频通道电路的频率响应函数，如果当前的频率响应函数相比上一次频率响应函数有跳变，则判断所述GNSS射频模块发生故障。通常，运算单元40既可以是单独的模块，也可以复用已有的模块，例如芯片中的CPU等。
本发明针对GNSS导航接收机数模混合芯片设计，提出了一种基于周期性噪声注入的射频模块故障检测电路，设计了独立的噪声生成和注入模块，通过向辅助射频通道电路和GNSS射频模块的射频电路同时注入相同的噪声脉冲，并在数字电路域上处理两个射频电路输出的采样噪声信号，可计算出相对频率响应曲线，从而实现了模拟电路的特征参数提取。由于射频模拟电路的频率响应函数反应了电路输出信号相对于输入信号在所有关注频率上的变化，所以模拟射频电路各元件的故障都会反应到频率响应函数的变化上。所以，通过检测相对频率响应曲线的突变，即可检测射频模拟电路中与功能安全相关的硬件随机故障。
在一优选实施方式中，如图2所示，噪声脉冲发生电路10可以包括噪声脉冲发生器101、数模转换电路102和信号调整电路103，其中，
噪声脉冲发生器101用于周期性输出噪声脉冲数字信号，数模转换电路102用于对所述噪声脉冲数字信号进行数模转换，信号调整电路103用于将所述数模转换电路输出的噪声模拟信号上变频到所述GNSS射频信号模块的频率，并增大所述噪声模拟信号的增益，以得到所述噪声脉冲模拟信号。
在一优选实施方式中，噪声脉冲发生器101包括噪声脉冲宽度值寄存器、噪声脉冲周期寄存器和增益值寄存器，噪声脉冲宽度值寄存器用于接收并存储噪声脉冲宽度值，噪声脉冲周期寄存器用于接收并存储噪声脉冲周期值，噪声脉冲发生器根据所述噪声脉冲宽度值和所述噪声脉冲周期值，输出噪声脉冲数字信号，增益值寄存器用于接收并存储增益调整值，信号调整电路根据所述增益调整值调整噪声脉冲模拟信号的增益。
在一实施方式中，通常由CPU上运行的射频通道故障检测线程向噪声脉冲发生器101写入噪声数据和参数，包括向噪声脉冲发生器101的RAM写入高斯白噪声图样数据，向噪声脉冲宽度值寄存器、噪声脉冲周期寄存器和增益值寄存器写入脉冲宽度值、脉冲周期值、增益调整值等，并由软件通过写寄存器启动噪声脉冲发生器101，使噪声脉冲发生器101按照既定的配置输出噪声脉冲数字信号。
例如，噪声脉冲发生器101内部RAM存储一定长度的高斯白噪声图样数据，软件通过总线配置好脉冲宽度和周期寄存器后，启动噪声脉冲发生器101输出噪声脉冲信号，所述噪声脉冲信号是由存储的高斯白噪声图样数据根据所述脉冲宽度和周期在脉冲有效期内反复输出得到。脉冲有效期通常是与脉冲宽度相同，例如，脉冲宽度是100us，脉冲周期是500ms，那么t0~t0+0.1ms是脉冲有效期，t0+0.1ms~t0+500ms内脉冲无效，t0+500ms~t0+500.1ms是脉冲有效期，以此类推。
在一实施方式中，噪声脉冲发生器101内部RAM存储的高斯白噪声图样数据的长度通常是根据脉冲宽度和数模转换器的频率确定的，例如，可以是脉冲宽度除以数模转换器的频率。
噪声脉冲宽度是每个脉冲周期噪声输出的时间，噪声脉冲宽度之外无噪声。在本申请中，为了不对信号跟踪和载噪比产生影响，噪声脉冲模拟信号的脉冲宽度小于所述GNSS信号扩频伪码周期时间，优选为百微秒量级，具体可根据系统产品参数设计联合确定。同时，噪声脉冲周期是相邻两次噪声脉冲信号起始时间的间隔，本申请中优选在百毫秒级或秒级，也是可以根据具体系统和应用而定。通过选取较短的噪声脉冲周期和较长的脉冲间隔，不会对GNSS扩频信号体制下的接收机相干积分值产生明显影响。噪声脉冲周期越长，则相邻两次检测时间越长，需要更长的故障容忍时间间隔。由噪声脉冲宽度和噪声脉冲周期的时间设定上看，噪声脉冲宽度只占噪声脉冲周期的很小一部分，且自身时间相对于GNSS信号扩频伪码周期时间（典型值为1ms）也较小，所以，在伪码解扩后，几乎不会对对信号跟踪和载噪比产生影响。
在一实施方式中，信号调整电路103可以包括上变频器和增益放大电路，上变频器用于将噪声脉冲模拟信号的频率上变频到所述GNSS射频信号的频率，增益放大电路用于增大数模转换电路输出的噪声模拟信号，以使得所述噪声脉冲模拟信号的功率大于所述GNSS射频信号的功率。将DAC输出的模拟信号上变频到GNSS射频频率，并实施增益调整，保证注入的噪声信号达到比天线接收信号高的功率，且在射频通道的动态范围内。
在一实施方式中，噪声脉冲发生电路10还可以用于生成时间同步信号至噪声采样缓存30，所述时间同步信号与所述噪声脉冲模拟信号的前沿对齐，噪声采样缓存30在接收到所述时间同步信号时，开始缓存第一中频数字信号和第二中频数字信号，保证噪声采样缓存30在有噪声时才缓存数据。
在一实施方式中，当噪声采样缓存30所缓存的数据达到预设长度时停止缓存，并输出中断信号给运算单元40。
噪声缓存采样30通常为一块RAM，噪声采样缓存30接收到来自噪声脉冲发生电路10的时间同步信号时，该RAM开始缓存第一中频数字信号和第二中频数字信号，时间同步信号与噪声脉冲的前沿对齐，触发噪声采样缓存30开始存储采样数据。当缓存数据达到预设长度时则停止缓存，并上报中断信号给运算单元40，此时，运算单元40可读取该RAM中的噪声采样数据以进行计算。
在具体实施方式中，噪声采样缓存30的存储容量对应的时间，一般略小于噪声脉冲宽度，这样可保证缓存的都是噪声数据，且噪声脉冲宽度足够小，没有浪费。噪声采样缓存,30的上述预设长度对应的采样点个数一般为2048~4096之间即可满足故障检测算法的要求。
在一实施方式中，噪声采样缓存30结束后，即产生中断信号，运算单元40在收到中断信号后开始故障检测算法的处理，即，开始根据第一中频数字信号和第二中频数字信号计算所述辅助射频通道电路相对于GNSS射频模块的射频电路的频率响应函数，如果当前的频率响应函数相比上一次的频率响应函数有跳变，则判断发生硬件故障。在下次中断到来之前算法处理应结束。所以，故障检测算法最大运行时间为两次中断的间隔时间，与噪声脉冲周期相等。所以噪声脉冲周期应足够长，以使软件有足够的处理时间。
在一实施方式中，如图3所示，辅助射频通道电路20包括射频电路201和模数转换电路202，射频电路201用于接收所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号，并进行下变频处理，得到第一中频模拟信号；模数转换电路202用于对所述第一中频模拟信号进行模数转换，以输出所述第一中频数字信号。
在本方案中，辅助射频通道电路20与GNSS射频模块中的主射频通道电路是完全相同的，它们为完全相同又相互独立的两部分，通过计算辅助射频通道电路20相对于GNSS射频模块中的主射频通道电路的频率响应函数，以检测GNSS射频模拟电路的硬件随机故障。
在一实施方式中，辅助射频通道电路20中的模数转换电路202的采样时钟是由所述辅助射频通道电路中的射频电路201提供。在具体实施方式中，GNSS射频模块的主射频通道电路中也是包括模数转换电路的，该模数转换电路对GNSS射频模块中的射频电路输出的中频模拟信号实施采样量化，且采样时钟由GNSS射频模块中的射频电路提供，输出的第二中频数字信号既送噪声采样缓存30，同时还送基带进行信号处理。也就是说，GNSS射频模块中的模数转换电路的采样时钟由GNSS射频模块中的射频电路提供，辅助射频通道电路20中的模数转换电路202的采样时钟由射频电路201提供，这样，在做频率响应计算的时候也携带了两个模数转换电路的信息，会对模数转换电路的功能做检测。
在一实施方式中，可以是将当前的频率响应函数与上一次经过平滑滤波的频率响应函数进行比较，如果有跳变，则判断所述GNSS射频模块发生故障。
在一实施方式中，如图4所示，所述故障检测电路还包括功分器50、第一合路器60和第二合路器70，功分器50用于将所述噪声脉冲模拟信号分为第一噪声模拟信号和第二噪声模拟信号，所述第一噪声模拟信号和第二噪声模拟信号相同，所述第一合路器60用于将第一噪声模拟信号和GNSS射频信号合并后输入至辅助射频通道电路20，所述第二合路器70用于将所述第二噪声模拟信号和所述GNSS射频信号合并后输入至所述主射频通道电路。当注入的第一噪声模拟信号和第二噪声模拟信号为0时，两个合路器输出的信号仅为天线接收的GNSS射频信号。
在具体实施方式中，功分器50通常是将噪声脉冲发生电路10输出的噪声脉冲模拟信号一分为二，所以第一噪声模拟信号和第二噪声模拟信号相同，且是噪声脉冲模拟信号的一半。
本发明的方案实现了射频模拟电路硬件随机故障的检测，为数模混合芯片设计提供了模拟射频电路部分的解决方案。例如，在符合ISO26262功能安全要求的车载GNSS导航接收机数模混合芯片领域，为满足功能安全的GNSS导航接收机芯片在车载平台上的应用提供了技术支撑。例如，当用户正在驾驶汽车时，硬件电路实时检测射频模块是否发生硬件故障，也就是实时检测是否符合ISO26262功能安全要求，当检测到发生故障时，由汽车的上层系统决定接下来的具体操作，可以是仅仅发出报警，或者，切换到其他导航手段，或者报警之后就不能自动驾驶，需要人为操作等等，用户知道导航出了问题，可以及时切换导航、维修、更换芯片等，从而保证了汽车使用安全、提升了用户体验。
图5示出了基于本发明的GNSS射频模块故障检测电路的芯片架构，如图所示，GNSS导航接收射频基带一体化（数模混合）芯片从纵向看可分为功能电路和故障检测电路两部分。其中，功能电路部分用于GNSS信号处理业务，是普通GNSS导航接收机芯片和功能安全GNSS导航接收机芯片共有的部分，包括合路器0、主射频通道、ADC_0、基带信号处理，以及总线和CPU。故障检测电路部分用于面向功能安全的射频电路故障检测，是功能安全GNSS导航接收机芯片特有的部分，包括合路器1、冗余射频通道（辅助射频通道）、ADC_1、噪声采样缓存、噪声脉冲发生器、DAC、上变频和增益调整（信号调整电路），以及功分器。
GNSS导航接收射频基带一体化（数模混合）芯片从横向看可分为模拟电路和数字电路两部分。其中，模拟电路包括两个合路器、两个射频通道、两个ADC、上变频和增益调整、功分器，以及DAC。数字电路包括基带信号处理、噪声采样缓存、噪声脉冲发生器、总线，以及CPU。
芯片工作流程如图6所示，本申请中只介绍射频通道故障检测电路部分的工作流程，GNSS信号处理的运行流程与射频通道故障检测电路的运行流程并行独立运行，不在本发明范围之内。
GNSS射频模块故障检测电路的运行流程如下：
1）CPU上运行的射频通道故障检测线程向噪声脉冲发生器写入噪声数据和参数，包括向RAM写入高斯白噪声图样数据，向相关寄存器写入增益调整值、脉冲时间宽度、脉冲周期等；
2）软件通过写寄存器启动噪声脉冲发生器，使噪声脉冲发生器按照既定的配置输出噪声信号，该噪声信号经DA转换、上变频和增益调整后，经功分器输出两路相同的噪声模拟信号，再与天线接收的GNSS射频信号合并后分别输入到主射频通道和冗余射频通道，两路射频通道输出的中频模拟信号分别经对应的DAC进行模数转换后输出两路噪声采样数据；
3）噪声采样缓存在接收到时间同步信号后，开始保存两路噪声采样数据到噪声采样缓存（RAM）中；
4）噪声采样缓存满后，向CPU产生中断信号；
5）CPU收到中断后，射频通道故障检测线程读取噪声采样缓存，运行故障检测算法；
若发生故障，则向上层系统上报告警信号，进行故障处理；若未发生故障，则回到3）。
图7示出了基于本发明的GNSS射频模块故障检测电路的工作时序图，其中：
噪声脉冲周期：是相邻两次噪声脉冲信号起始时间的间隔，一般在百毫秒或秒级。噪声脉冲周期越长，则相邻两次检测时间越长，需要更长的故障容忍时间间隔。
噪声脉冲宽度：是每个脉冲周期噪声输出的时间，噪声脉冲宽度之外无噪声。噪声脉冲宽度一般在百微秒量级，噪声脉冲宽度只占噪声脉冲周期的很小一部分。
时间同步信号：由噪声脉冲发生器在噪声脉冲宽度前沿产生，触发噪声采样缓存开始存储采样数据。
噪声采样缓存时长：噪声采样缓存RAM的存储容量对应的时间，一般略小于噪声脉冲宽度，这样可保证缓存的都是注入噪声数据，且噪声脉冲宽度足够小没有浪费。
中断：噪声采样缓存时长结束后，即产生中断。软件在收到中断后开始故障检测算法的处理，在下次中断到来之前算法处理应结束。所以故障检测算法最大运行时间为两次中断的间隔时间，与噪声脉冲周期相等。所以噪声脉冲周期应足够长，以使软件有足够的处理时间。
本发明中，GNSS射频通道故障检测算法是基于维纳滤波原理，求解出冗余射频通道相对于主射频通道的频率响应函数，然后检查每次检测得到的频率响应函数相比之前经过平滑滤波的频率响应函数是否有跳变，从而判断是否出现了硬件随机故障。具体可采用如下算法：
设在噪声注入期间，主射频通道ADC_0输出的采样数据为，冗余射频通道ADC_1输出的采样数据为/>，设：
自相关矩阵为：/>；
和/>互相关向量为：/>；
和/>系数向量为：/>。
则频响函数采样为：。
若要频响函数采样个数为，则FFT运算补零个数为/>，/>是采样点个数。
设第次检测的频响函数为/>，得到的平滑后的频响函数为/>，则
其中为平滑滤波系数。
若，则判定有硬件随机故障发生。的具体值可由软件仿真得到。
本发明还公开一种GNSS射频电路，包括GNSS射频模块，所述GNSS射频模块具有主射频通道电路，还包括本发明所述的GNSS射频模块故障检测电路。
本发明还公开一种GNSS导航接收机芯片，包括本发明的GNSS射频电路，还包括CPU，其中，所述运算单元为所述CPU。
本发明还公开一种GNSS导航接收机，包括本发明的GNSS射频电路，或，GNSS导航接收机芯片。
本发明还公开一种GNSS射频模块故障检测方法，所述GNSS射频模块具有主射频通道电路，如图8所示，包括：
S10：周期性输出噪声脉冲模拟信号，所述噪声脉冲模拟信号的脉冲宽度和周期是预设的，且所述噪声脉冲模拟信号的频率等于GNSS射频信号的频率，所述噪声脉冲模拟信号的功率大于所述GNSS射频信号的功率；
S20：利用一辅助射频通道电路将所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号进行下变频处理，得到第一中频数字信号，利用所述主射频通道电路将所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号进行同样的下变频处理，得到第二中频数字信号；
S30：接收并缓存第一中频数字信号和第二中频数字信号，所述第二中频数字信号为所述GNSS射频模块的射频电路接收所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号并进行下变频处理得到的；
S40：根据所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号计算所述辅助射频通道电路相对于所述主射频通道电路的频率响应函数，如果当前的频率响应函数相比上一次频率响应函数有跳变，则判断所述GNSS射频模块发生故障。
在一实施方式中，步骤S10包括：周期性输出噪声脉冲数字信号；将所述噪声脉冲数字信号转化为噪声模拟信号；将所述噪声模拟信号上变频到所述GNSS射频模块的射频频率，并增大所述噪声模拟信号的增益，以得到所述噪声脉冲模拟信号。
在具体实施方式中，可以将所述噪声脉冲模拟信号的频率上变频到所述GNSS射频信号的频率，并增大所述噪声脉冲模拟信号的增益，以使得所述噪声脉冲模拟信号的功率大于所述GNSS射频信号的功率。
在一实施方式中，所述噪声脉冲模拟信号的脉冲宽度小于所述GNSS信号扩频伪码周期时间。
在一实施方式中，所述噪声脉冲模拟信号的脉冲宽度是百微秒级，所述噪声脉冲信号的周期是百毫秒级或秒级。
在一实施方式中，对所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号进行下变频处理，得到第一中频模拟信号，对所述第一中频模拟信号进行模数转换，得到所述第一中频数字信号。
在一实施方式中，S30中，当接收到时间同步信号时，开始接收并缓存所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号，当缓存数据达到预设长度时停止缓存，并上报中断信号。优选地，所述预设长度对应的采样点个数为2048~4096。
在一实施方式中，当接收到所述中断信号时，根据所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号计算所述辅助射频通道电路相对于所述主射频通道电路的频率响应函数。
在一实施方式中，如果当前的频率响应函数相比上一次经过平滑滤波的频率响应函数有跳变，则判断所述GNSS射频模块发生故障。
本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。其中，附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生，例如，两个接连表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。本文中对于各步骤的编号仅为了方便说明和引用，并不用于限定前后顺序，具体的执行顺序是由技术本身确定的，本领域技术人员可以根据技术本身确定各种允许的、合理的顺序。
需要说明的是，本发明中采用步骤编号（字母或数字编号）来指代某些具体的方法步骤，仅仅是出于描述方便和简洁的目的，而绝不是用字母或数字来限制这些方法步骤的顺序。本领域的技术人员能够明了，相关方法步骤的顺序，应由技术本身决定，不应因步骤编号的存在而被不适当地限制，本领域技术人员可以根据技术本身确定各种允许的、合理的步骤顺序。
本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。
Claims (24)
1.一种GNSS射频模块故障检测电路，所述GNSS射频模块具有主射频通道电路，其特征在于，所述故障检测电路包括噪声脉冲发生电路、辅助射频通道电路、噪声采样缓存和运算单元；
所述噪声脉冲发生电路用于周期性输出噪声脉冲模拟信号，所述噪声脉冲模拟信号的频率等于GNSS射频信号的频率，所述噪声脉冲模拟信号的功率大于所述GNSS射频信号的功率；
所述辅助射频通道电路用于接收所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号并进行下变频处理，并输出第一中频数字信号，所述辅助射频通道电路与所述主射频通道电路具有相同的电路结构；
所述噪声采样缓存用于接收所述第一中频数字信号和第二中频数字信号，所述第二中频数字信号为所述主射频通道电路接收所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号并进行下变频处理得到的；
所述运算单元能够根据所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号计算所述辅助射频通道电路相对于所述主射频通道电路的频率响应函数，如果当前的频率响应函数相比上一次频率响应函数有跳变，则判断所述GNSS射频模块发生故障。
2.根据权利要求1所述的GNSS射频模块故障检测电路，其特征在于，所述噪声脉冲发生电路包括噪声脉冲发生器、数模转换电路和信号调整电路，
所述噪声脉冲发生器用于周期性输出噪声脉冲数字信号；
所述数模转换电路用于对所述噪声脉冲数字信号进行数模转换；
所述信号调整电路用于将所述数模转换电路输出的噪声模拟信号上变频到所述GNSS射频信号的频率，并增大所述噪声模拟信号的增益，以得到所述噪声脉冲模拟信号。
3.根据权利要求2所述的GNSS射频模块故障检测电路，其特征在于，所述噪声脉冲发生器包括噪声脉冲宽度值寄存器、噪声脉冲周期寄存器和增益值寄存器，
所述噪声脉冲宽度值寄存器用于接收并存储噪声脉冲宽度值；
所述噪声脉冲周期寄存器用于接收并存储噪声脉冲周期值；
所述噪声脉冲发生器根据所述噪声脉冲宽度值和所述噪声脉冲周期值，输出所述噪声脉冲数字信号；
所述增益值寄存器用于接收并存储增益调整值，所述信号调整电路根据所述增益调整值调整所述噪声脉冲模拟信号的增益。
4.根据权利要求2所述的GNSS射频模块故障检测电路，其特征在于，所述噪声脉冲模拟信号的脉冲宽度小于所述GNSS射频信号的扩频伪码周期时间。
5.根据权利要求1所述的GNSS射频模块故障检测电路，其特征在于，所述噪声脉冲模拟信号的脉冲宽度是百微秒级，所述噪声脉冲信号的周期是百毫秒级或秒级。
6.根据权利要求2所述的GNSS射频模块故障检测电路，其特征在于，所述信号调整电路包括上变频器和增益放大电路，
所述上变频器用于将所述噪声脉冲模拟信号的频率上变频到所述GNSS射频信号的频率；
所述增益放大电路用于增大所述数模转换电路输出的噪声模拟信号，以使得所述噪声脉冲模拟信号的功率大于所述GNSS射频信号的功率。
7.根据权利要求1所述的GNSS射频模块故障检测电路，其特征在于，所述噪声脉冲发生电路还用于生成时间同步信号至所述噪声采样缓存，所述时间同步信号与所述噪声脉冲模拟信号的前沿对齐，所述噪声采样缓存在接收到所述时间同步信号时，开始缓存所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号。
8.根据权利要求7所述的GNSS射频模块故障检测电路，其特征在于，当所述噪声采样缓存所缓存的数据达到预设长度时停止缓存，并输出中断信号给所述运算单元。
9.根据权利要求8所述的GNSS射频模块故障检测电路，其特征在于，所述预设长度对应的采样点个数为2048~4096。
10.根据权利要求8所述的GNSS射频模块故障检测电路，其特征在于，所述运算单元在接收到所述中断信号时，根据所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号计算所述辅助射频通道电路相对于所述GNSS射频模块的射频电路的频率响应函数。
11.根据权利要求1所述的GNSS射频模块故障检测电路，其特征在于，所述辅助射频通道电路包括射频电路和模数转换电路，
所述射频电路用于接收所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号，并进行下变频处理，得到第一中频模拟信号；
所述模数转换电路用于对所述第一中频模拟信号进行模数转换，以输出所述第一中频数字信号。
12.根据权利要求1所述的GNSS射频模块故障检测电路，其特征在于，还包括功分器、第一合路器和第二合路器，
所述功分器用于将所述噪声脉冲模拟信号分为第一噪声模拟信号和第二噪声模拟信号，所述第一噪声模拟信号和第二噪声模拟信号相同；
所述第一合路器用于将所述第一噪声模拟信号和所述GNSS射频信号合并后输入至所述辅助射频通道电路；
所述第二合路器用于将所述第二噪声模拟信号和所述GNSS射频信号合并后输入至所述主射频通道电路。
13.一种GNSS射频电路，包括GNSS射频模块，所述GNSS射频模块具有主射频通道电路，其特征在于，还包括如权利要求1-12任一项所述的GNSS射频模块故障检测电路。
14.一种GNSS导航接收机芯片，其特征在于，包括如权利要求13所述的GNSS射频电路，还包括CPU，其中，所述运算单元为所述CPU。
15.一种GNSS导航接收机，其特征在于，包括如权利要求13所述的GNSS射频电路，或，如权利要求14所述的GNSS导航接收机芯片。
16.一种GNSS射频模块故障检测方法，所述GNSS射频模块具有主射频通道电路，其特征在于，包括步骤：
S10：周期性输出噪声脉冲模拟信号，所述噪声脉冲模拟信号的频率等于GNSS射频信号的频率，所述噪声脉冲模拟信号的功率大于所述GNSS射频信号的功率；
S20：利用一辅助射频通道电路将所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号进行下变频处理，得到第一中频数字信号，利用所述主射频通道电路将所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号进行同样的下变频处理，得到第二中频数字信号；
S30：接收并缓存所述第一中频数字信号和第二中频数字信号；
S40：根据所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号计算所述辅助射频通道电路相对于所述主射频通道电路的频率响应函数，如果当前的频率响应函数相比上一次频率响应函数有跳变，则判断所述GNSS射频模块发生故障。
17.根据权利要求16所述的GNSS射频模块故障检测方法，其特征在于，所述步骤S10包括：
周期性输出噪声脉冲数字信号；
将所述噪声脉冲数字信号转化为噪声模拟信号；
将所述噪声模拟信号上变频到所述GNSS射频信号的频率，并增大所述噪声模拟信号的增益，以得到所述噪声脉冲模拟信号。
18.根据权利要求17所述的GNSS射频模块故障检测方法，其特征在于，
将所述噪声脉冲模拟信号的频率上变频到所述GNSS射频信号的频率，并增大所述噪声脉冲模拟信号的增益，以使得所述噪声脉冲模拟信号的功率大于所述GNSS射频信号的功率。
19.根据权利要求17所述的GNSS射频模块故障检测方法，其特征在于，所述噪声脉冲模拟信号的脉冲宽度小于所述GNSS射频信号的扩频伪码周期时间。
20.根据权利要求17所述的GNSS射频模块故障检测方法，其特征在于，所述噪声脉冲模拟信号的脉冲宽度是百微秒级，所述噪声脉冲信号的周期是百毫秒级或秒级。
21.根据权利要求16所述的GNSS射频模块故障检测方法，其特征在于，对所述噪声脉冲模拟信号和所述GNSS射频信号进行下变频处理，得到第一中频模拟信号，对所述第一中频模拟信号进行模数转换，得到所述第一中频数字信号。
22.根据权利要求16所述的GNSS射频模块故障检测方法，其特征在于，当接收到时间同步信号时，开始缓存所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号，当缓存数据达到预设长度时停止缓存，并上报中断信号。
23.根据权利要求22所述的GNSS射频模块故障检测方法，其特征在于，所述预设长度对应的采样点个数为2048~4096。
24.根据权利要求22所述的GNSS射频模块故障检测方法，其特征在于，当接收到所述中断信号时，根据所述第一中频数字信号和所述第二中频数字信号计算所述辅助射频通道电路相对于所述主射频通道电路的频率响应函数。
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| CN118068372A (zh) * | 2024-04-19 | 2024-05-24 | 北京凯芯微科技有限公司 | 一种gnss导航芯片故障检测电路及方法 |
| CN118068374A (zh) * | 2024-04-19 | 2024-05-24 | 北京凯芯微科技有限公司 | 一种gnss导航芯片工作模式切换方法及装置 |
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| CN117269995B (zh) | 2024-02-23 |
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