CN204832524U

CN204832524U - 一种双模可重构的gnss射频前端接收系统

Info

Publication number: CN204832524U
Application number: CN201520052274.5U
Authority: CN
Inventors: 江金光; 谭高建
Original assignee: SUZHOU INSTITUTE OF WUHAN UNIVERSITY
Current assignee: SUZHOU INSTITUTE OF WUHAN UNIVERSITY
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2025-01-26

Abstract

本实用新型涉及一种双模可重构的GNSS射频前端接收系统，该系统采用双模单通道低中频架构，天线、声表面滤波器、低噪声放大器、第一混频器、第二混频器、锁相环模块、镜像抑制滤波器、缓冲模块、第一可变增益放大器、中频滤波器、自动调谐模块、第二可变增益放大器、二位数模转换器模块、第一晶振、第二晶振；本实用新型能够同时接收GPS？L1，北斗？B1？波段，功耗很低，在1.8V的电压下，工作电流小于30mA。其研制技术很容易扩展到多系统卫星导航接收机及芯片研制中，具有广泛的推广价值和积极的科技进步意义。

Description

一种双模可重构的GNSS射频前端接收系统

技术领域

本实用新型属于卫星导航系统中多模多频接收机前端芯片的设计，涉及集成电路技术、软件技术、通讯技术和嵌入式系统等多领域的战略性技术，特别涉及一种双模可重构的GPS/北斗射频前端接收系统。背景技术

卫星导航技术是全球发展最快的三大信息产业之一，在信息、交通、安全防卫、防灾救灾、环境监测等方面的应用前景十分广阔。建设北斗卫星导航系统，对于提高我国的国际地位，促进经济社会的发展，保障国家安全等许多方面，都具有十分重大特殊的意义。

目前世界上除了美国的全球卫星定位系统GPS之外，还有俄罗斯的GLONASS，我国的北斗导航定位系统，欧盟也正在计划建设能够实现多系统相互兼容的伽利略(Galileo)系统。其中，GPS卫星定位接收机产业发展较为成熟，目前全球约有二十多家制造商生产GPS接收机专用芯片，这些公司主要集中于欧美国家。

我国是卫星导航应用的大国，但是卫星导航元器件技术和生产基本上依赖于进口，其中主要包括有各类卫星导航应用终端所需的导航芯片、OEM板等，我国尚没有形成真正意义上的自主知识产权技术和产业化能力。据统计目前国内95％以上的卫星导航应用设备为GPS系统的芯片组或OEM集成产品，都是依赖进口实现。在卫星导航产品芯片市场方面，一直以来都是国外的卫星导航芯片产品占据主要市场，垄断卫星导航芯片产品的市场价格。所以，设计出我国具有自主知识产权的卫星导航芯片产品，打破国外卫星导航芯片产品长期垄断我国市场的价格具有重要的战略意义。

在性能方面，单频卫星导航接收芯片所构成的接收机由于受限于在某些特定的环境下信号不强而不能正确定位，主要应用领域也局限在民用方面而使市场开拓受限。多模GNSS卫星导航芯片所构成的接收机可以摆脱对单一导航系统的依赖，提高可靠性，在增加芯片成本极小的基础上，极大地增加了接收机的功能和可靠性，具有广阔的市场应用前景和很好的社会和经济效益。

现在，卫星导航正从GPS时代向GNSS(全球卫星导航系统)时代转变，形成GPS+Galileo(伽利略系统)+其它系统(如GLONASS、北斗)的多系统并存的局面。GNSS在可用性、连续性和完好性方面的保障将远比单一GPS好。伽利略系统与GPS配合使用可大幅提高导航卫星的可用性，使单一的GPS市区可用性从55％提高到GPS/Galileo共用时的95％。由于伽利略系统的初始设计已充分考虑了与GPS的融合，这就将形成GPS/Galileo组合的GNSS多模兼容接收机应用的批量市场，多模接收机在性价比上将大大超过单一系统的接收机。因此，多模兼容是卫星导航接收机发展的必然方向。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提出了一种双模可重构的GPS/北斗射频前端接收系统，能够同时接收GPSL1，北斗B1波段，功耗很低，在1.8V的电压下，工作电流小于30mA。其研制技术很容易扩展到多系统卫星导航接收机及芯片研制中，具有广泛的推广价值和积极的科技进步意义。

本实用新型是通过以下技术方案实现的。

一种双模可重构的GNSS射频前端接收系统，其特征在于，包括低噪声放大器、与低噪声放大器连接的第一混频器和第二混频器、同时与第一混频器和第二混频器的连接的镜像抑制滤波器、同时与第一混频器和第二混频器的连接的锁相环模块、与镜像抑制滤波器连接的第一可变增益放大器、与第一可变增益放大器连接的中频滤波器、同时与中频滤波器连接的自动调谐模块和第二可变增益放大器、与第二可变增益放大器连接的二位数模转换器模块、通过一个双向开关与锁相环模块连接的第一晶振和第二晶振、以及通过声表面滤波器与低噪声放大器连接的天线；

具体是：天线接收L1&B1波段信号，输出到声表面滤波器的输入端，声表面滤波器的输出端接入低噪声放大器的I+、I-输入端；低噪声放大器的Q+、Q-输出端分别接入第一混频器、2的I+、I-输入端，第一混频器、2的Q+、Q-输入端分别接入镜像抑制滤波器的Iq+、Iq-、Ii+、Ii-输入端；锁相环模块的Q+、Q-、I+、I-输入端分别接第一混频器、2的L+、L-输入端，锁相环模块的频率选择端接双向开关Sb1，Sb1的两支路分别通过第一晶振、2接地；镜像抑制滤波器的Q+、Q-输出端分别通过电容C2、C1接地，镜像抑制滤波器的IF+、IF-输出端接缓冲模块的输入端，缓冲模块的输出端接第一可变增益放大器的I+、I-输出端，第一可变增益放大器的O-、O+输出端接入中频滤波器的输入端；中频滤波器的输出端接第二可变增益放大器的I+、I-输入端，中频滤波器的调谐输入端接自动调谐模块的输出端，第二可变增益放大器d的O-、O+输出端接2位模数转换器输入端，模数转换器的输出端分别为后端所需要的SIG，MAG信号。

在上述一种双模可重构的GNSS射频前端接收系统，低噪声放大器包括P型场效应晶体管PM1、PM2，P型场效应晶体管PM1、PM2的源极相连接入电源VDD，PM1、PM2的栅极相连接外部使能端Control，PM1，PM2的漏极分别接N型场效应晶体管的漏极；NM1、NM2的源极分别接入N型场效应晶体管NM3、NM4的漏极，NM1的栅极通过电阻R1接NM1漏极，NM2的栅极通过电阻R4接NM2漏极，NM1的漏极接电容C5，C5的另一端即为低噪声放大器的Q-输出端，NM2的漏极接电容C7，C5的另一端即为低噪声放大器的Q+输出端；低噪声放大器的I+输入端接电容C6，C6的另一端通过电阻R2接NM1的漏极，C6与R2公共端通过电感Lg1接NM3的栅极，C6与R3公共端通过电阻R3接电流源Is1正端；NM3的源极通过电容C3接入NM3的栅极，NM3的源极通过电感Ls1接电流源Is1的正端；低噪声放大器的-输入端接电容C8，C8的另一端通过电阻R5接NM2的漏极，C8与R5公共端通过电感Lg2接NM4的栅极，C8与R5公共端通过电阻R6接电流源Is1正端；NM4的源极通过电容C4接入NM4的栅极，NM4的源极通过电感Ls2接电流源Is1的正端，Is1的负端接地。

在上述一种双模可重构的GNSS射频前端接收系统，所述第一混频器包括N型场效应晶体管NM6、NM7，N型场效应晶体管NM6、NM7源极相连作为第一混频器的I+输入端，N型场效应晶体管NM8、NM9源极相连作为第一混频器的I-输入端，NM7,、NM8的栅极相连作为第一混频器的L-输入端，NM6、NM9的栅极相连作为第一混频器的L+输入端，NM6、NM8的漏极相连作为第一混频器的Q+输出端，NM7、NM9的漏极相连作为第一混频器的Q-输出端。

在上述一种双模可重构的GNSS射频前端接收系统，所述镜像抑制滤波器的Ii+输入端接电阻RF1，RF1的另一端接电阻RF5，RF5的另一端接镜像抑制滤波器IF+输出端；镜像抑制滤波器的Iq+输入端接电阻RF2，RF2的另一端接电阻RF6，RF6的另一端接镜像抑制滤波器Q+输出端；镜像抑制滤波器的Ii-输入端接电阻RF3，RF3的另一端接电阻RF7，RF7的另一端接镜像抑制滤波器IF-输出端；镜像抑制滤波器的Iq-输入端接电阻RF4，RF4的另一端接电阻RF8，RF8的另一端接镜像抑制滤波器Q-输出端；Ii+通过电容CF1接RF2与RF6的公共端，Iq+通过电容CF2接RF3、RF7的公共端，Ii-通过电容CF3接RF4与RF8的公共端，Iq-通过电容CF4接RF1与RF5的公共端；IF+通过电容CF8接RF4与RF8的公共端，Q+通过电容CF5接RF1、RF5的公共端，IF-通过电容CF6接RF3与RF7的公共端，Q-通过电容CF7接RF3与RF7的公共端。

在上述一种双模可重构的GNSS射频前端接收系统，可变增益放大器的输入端I-通过电容Cb1接入放大器OP的Vi1-输入端，Vi1-通过电阻Rb1接外部共模电平VCM，可变增益放大器的输入端I+通过电容Cb2接入放大器OP的Vi2+输入端，Vi2+通过电阻Rb2接外部共模电平VCM；电阻RV3、电容CV1、开关S3并联后接入放大器OP的输入端Vi1+与输出端O-，电阻RV4、电容CV2、开关S4并联后接入放大器OP的输入端Vi2-与输出端O+，Vi1+通过开关S1、电阻RV1、RV2、开关S2串联后接Vi2-

在本实用新型中，中频滤波器选用以Chebyshev滤波器作为低通原型的四阶有源滤波器结构，可以用较少的阶数和较低的功耗，实现较大的带外抑制。自动调谐模块，采用采用主从调节方式，以离散的开关电容阵列作为可调元件，调节电路和信号处理电路相互独立，不会在信号通路中引入额外的噪声，且具有较好的线性度和精度。上述两模块均采用经典结构搭建。

因此，本实用新型具有以下有点：采用0.18umCOMS工艺流片的单芯片，能够接收GPSL1，北斗B1波段；低功耗，单电源1.8V工作，工作电流小于30mA；低噪声，其噪声系数<4dB；单次转换的低中频架构，中频为4.092MHz；标准2-bitADC输出，可以连接通用的GPS基带解码芯片。；完全集成的中频滤波器，不需要外部的IFSAW或者离散的中频滤波器；采用自调谐电路，可以自动调整中频频率到4.092M；采用差分射频输入方式，有效滤波共模噪声的干扰；采用高增益的LNA和高线性度的无源分频器，尽量降低增益。

附图说明

附图1所示为所设计射频前端接收系统的功能模块图；

附图2所示为所设计射频前端接收系统的低噪声放大器结构图；

附图3所示为所设计射频前端接收系统的混频器的结构图；

附图4所示为所设计射频前端接收系统的镜像抑制滤波器结构图；

附图5所示为所设计射频前端接收系统的可变增益放大器结构图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

为了更加清楚明白地解释本实用新型的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实例对本实用新型进行进一步的说明。

附图1所示为所设计射频前端接收系统的功能模块图。一种双模可重构的GPS/北斗射频前端接收系统，采用双模单通道低中频架构，由天线、声表面滤波器、低噪声放大器、第一混频器、第二混频器、锁相环模块、镜像抑制滤波器、缓冲模块、第一可变增益放大器、中频滤波器、自动调谐模块、第二可变增益放大器、二位数模转换器模块、第一晶振、第二晶振。

一种双模可重构的GPS/北斗射频前端接收系统其特征在于：第一晶振、第二晶振、声表面滤波器、天线属于芯片外部器件，其余模块均集成在同一块芯片上。天线接收L1&B1波段信号，输出到声表面滤波器的输入端，声表面滤波器的输出端接入低噪声放大器的I+、I-输入端；低噪声放大器的Q+、Q-输出端分别接入第一混频器、2的I+、I-输入端，第一混频器、2的Q+、Q-输入端分别接入镜像抑制滤波器的Iq+、Iq-、Ii+、Ii-输入端；锁相环模块的Q+、Q-、I+、I-输入端分别接第一混频器、2的L+、L-输入端，锁相环模块的频率选择端接双向开关Sb1，Sb1的两支路分别通过第一晶振、2接地；镜像抑制滤波器的Q+、Q-输出端分别通过电容C2、C1接地，镜像抑制滤波器的IF+、IF-输出端接缓冲模块的输入端，缓冲模块的输出端接第一可变增益放大器的I+、I-输出端，第一可变增益放大器的O-、O+输出端接入中频滤波器的输入端；中频滤波器的输出端接第二可变增益放大器的I+、I-输入端，中频滤波器的调谐输入端接自动调谐模块的输出端，第二可变增益放大器d的O-、O+输出端接2位模数转换器输入端，模数转换器的输出端分别为后端所需要的SIG，MAG信号。

附图2所示为所设计射频前端接收系统的低噪声放大器结构图。一种双模可重构的GPS/北斗射频前端接收系统其特征在于，低噪声放大器的结构如附图2所示，P型场效应晶体管PM1、PM2的源极相连接入电源VDD，PM1、PM2的栅极相连接外部使能端Control，PM1，PM2的漏极分别接N型场效应晶体管的漏极；NM1、NM2的源极分别接入N型场效应晶体管NM3、NM4的漏极，NM1的栅极通过电阻R1接NM1漏极，NM2的栅极通过电阻R4接NM2漏极，NM1的漏极接电容C5，C5的另一端即为低噪声放大器的Q-输出端，NM2的漏极接电容C7，C5的另一端即为低噪声放大器的Q+输出端；低噪声放大器的I+输入端接电容C6，C6的另一端通过电阻R2接NM1的漏极，C6与R2公共端通过电感Lg1接NM3的栅极，C6与R3公共端通过电阻R3接电流源Is1正端；NM3的源极通过电容C3接入NM3的栅极，NM3的源极通过电感Ls1接电流源Is1的正端；低噪声放大器的-输入端接电容C8，C8的另一端通过电阻R5接NM2的漏极，C8与R5公共端通过电感Lg2接NM4的栅极，C8与R5公共端通过电阻R6接电流源Is1正端；NM4的源极通过电容C4接入NM4的栅极，NM4的源极通过电感Ls2接电流源Is1的正端，Is1的负端接地。

附图3所示为所设计射频前端接收系统的混频器的结构图。一种双模可重构的GPS/北斗射频前端接收系统其特征在于，第一混频器、2结构相同。以第二混频器为例，其结构如附图3所示，N型场效应晶体管NM6、NM7源极相连作为混频器的I+输入端，N型场效应晶体管NM8、NM9源极相连作为混频器的I-输入端，NM7,、NM8的栅极相连作为混频器的L-输入端，NM6、NM9的栅极相连作为混频器的L+输入端，NM6、NM8的漏极相连作为混频器的Q+输出端，NM7、NM9的漏极相连作为混频器的Q-输出端。

附图4所示为所设计射频前端接收系统的镜像抑制滤波器结构图。一种双模可重构的GPS/北斗射频前端接收系统其特征在于，镜像抑制滤波器构如附图4所示。镜像抑制滤波器的Ii+输入端接电阻RF1，RF1的另一端接电阻RF5，RF5的另一端接镜像抑制滤波器IF+输出端；镜像抑制滤波器的Iq+输入端接电阻RF2，RF2的另一端接电阻RF6，RF6的另一端接镜像抑制滤波器Q+输出端；镜像抑制滤波器的Ii-输入端接电阻RF3，RF3的另一端接电阻RF7，RF7的另一端接镜像抑制滤波器IF-输出端；镜像抑制滤波器的Iq-输入端接电阻RF4，RF4的另一端接电阻RF8，RF8的另一端接镜像抑制滤波器Q-输出端；Ii+通过电容CF1接RF2与RF6的公共端，Iq+通过电容CF2接RF3、RF7的公共端，Ii-通过电容CF3接RF4与RF8的公共端，Iq-通过电容CF4接RF1与RF5的公共端；IF+通过电容CF8接RF4与RF8的公共端，Q+通过电容CF5接RF1、RF5的公共端，IF-通过电容CF6接RF3与RF7的公共端，Q-通过电容CF7接RF3与RF7的公共端。

附图5所示为所设计射频前端接收系统的可变增益放大器结构图。一种双模可重构的GPS/北斗射频前端接收系统其特征在于，第一可变增益放大器、2结构完全相同，可变增益放大器的结构如附图5所示。可变增益放大器的输入端I-通过电容Cb1接入放大器OP的Vi1-输入端，Vi1-通过电阻Rb1接外部共模电平VCM，可变增益放大器的输入端I+通过电容Cb2接入放大器OP的Vi2+输入端，Vi2+通过电阻Rb2接外部共模电平VCM；电阻RV3、电容CV1、开关S3并联后接入放大器OP的输入端Vi1+与输出端O-，电阻RV4、电容CV2、开关S4并联后接入放大器OP的输入端Vi2-与输出端O+，Vi1+通过开关S1、电阻RV1、RV2、开关S2串联后接Vi2-。

一种双模可重构的GPS/北斗射频前端接收系统其特征在于，中频滤波器选用以Chebyshev滤波器作为低通原型的四阶有源滤波器结构，可以用较少的阶数和较低的功耗，实现较大的带外抑制。自动调谐模块，采用采用主从调节方式，以离散的开关电容阵列作为可调元件，调节电路和信号处理电路相互独立，不会在信号通路中引入额外的噪声，且具有较好的线性度和精度。上述两模块均采用经典结构搭建。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种双模可重构的GNSS射频前端接收系统，其特征在于，包括低噪声放大器、与低噪声放大器连接的第一混频器和第二混频器、同时与第一混频器和第二混频器的连接的镜像抑制滤波器、同时与第一混频器和第二混频器的连接的锁相环模块、与镜像抑制滤波器连接的第一可变增益放大器、与第一可变增益放大器连接的中频滤波器、同时与中频滤波器连接的自动调谐模块和第二可变增益放大器、与第二可变增益放大器连接的二位数模转换器模块、通过一个双向开关与锁相环模块连接的第一晶振和第二晶振、以及通过声表面滤波器与低噪声放大器连接的天线；

具体是：天线接收L1&B1波段信号，输出到声表面滤波器的输入端，声表面滤波器的输出端接入低噪声放大器的I+、I-输入端；低噪声放大器的Q+、Q-输出端分别接入第一混频器、第二混频器的I+、I-输入端，第一混频器、第二混频器的Q+、Q-输入端分别接入镜像抑制滤波器的Iq+、Iq-、Ii+、Ii-输入端；锁相环模块的Q+、Q-、I+、I-输入端分别接第一混频器、第二混频器的L+、L-输入端，锁相环模块的频率选择端接双向开关Sb1，Sb1的两支路分别通过第一晶振、第二晶振接地；镜像抑制滤波器的Q+、Q-输出端分别通过电容C2、C1接地，镜像抑制滤波器的IF+、IF-输出端接缓冲模块的输入端，缓冲模块的输出端接第一可变增益放大器的I+、I-输出端，第一可变增益放大器的O-、O+输出端接入中频滤波器的输入端；中频滤波器的输出端接第二可变增益放大器的I+、I-输入端，中频滤波器的调谐输入端接自动调谐模块的输出端，第二可变增益放大器d的O-、O+输出端接2位模数转换器输入端，模数转换器的输出端分别为后端所需要的SIG，MAG信号。

2.根据权利要求1所述一种双模可重构的GNSS射频前端接收系统，其特征在于，低噪声放大器包括P型场效应晶体管PM1、PM2，P型场效应晶体管PM1、PM2的源极相连接入电源VDD，PM1、PM2的栅极相连接外部使能端Control，PM1，PM2的漏极分别接N型场效应晶体管的漏极；NM1、NM2的源极分别接入N型场效应晶体管NM3、NM4的漏极，NM1的栅极通过电阻R1接NM1漏极，NM2的栅极通过电阻R4接NM2漏极，NM1的漏极接电容C5，C5的另一端即为低噪声放大器的Q-输出端，NM2的漏极接电容C7，C5的另一端即为低噪声放大器的Q+输出端；低噪声放大器的I+输入端接电容C6，C6的另一端通过电阻R2接NM1的漏极，C6与R2公共端通过电感Lg1接NM3的栅极，C6与R3公共端通过电阻R3接电流源Is1正端；NM3的源极通过电容C3接入NM3的栅极，NM3的源极通过电感Ls1接电流源Is1的正端；低噪声放大器的-输入端接电容C8，C8的另一端通过电阻R5接NM2的漏极，C8与R5公共端通过电感Lg2接NM4的栅极，C8与R5公共端通过电阻R6接电流源Is1正端；NM4的源极通过电容C4接入NM4的栅极，NM4的源极通过电感Ls2接电流源Is1的正端，Is1的负端接地。

3.根据权利要求2所述一种双模可重构的GNSS射频前端接收系统，其特征在于，所述第一混频器包括N型场效应晶体管NM6、NM7，N型场效应晶体管NM6、NM7源极相连作为第一混频器的I+输入端，N型场效应晶体管NM8、NM9源极相连作为第一混频器的I-输入端，NM7,、NM8的栅极相连作为第一混频器的L-输入端，NM6、NM9的栅极相连作为第一混频器的L+输入端，NM6、NM8的漏极相连作为第一混频器的Q+输出端，NM7、NM9的漏极相连作为第一混频器的Q-输出端。

4.根据权利要求2所述一种双模可重构的GNSS射频前端接收系统，其特征在于，所述镜像抑制滤波器的Ii+输入端接电阻RF1，RF1的另一端接电阻RF5，RF5的另一端接镜像抑制滤波器IF+输出端；镜像抑制滤波器的Iq+输入端接电阻RF2，RF2的另一端接电阻RF6，RF6的另一端接镜像抑制滤波器Q+输出端；镜像抑制滤波器的Ii-输入端接电阻RF3，RF3的另一端接电阻RF7，RF7的另一端接镜像抑制滤波器IF-输出端；镜像抑制滤波器的Iq-输入端接电阻RF4，RF4的另一端接电阻RF8，RF8的另一端接镜像抑制滤波器Q-输出端；Ii+通过电容CF1接RF2与RF6的公共端，Iq+通过电容CF2接RF3、RF7的公共端，Ii-通过电容CF3接RF4与RF8的公共端，Iq-通过电容CF4接RF1与RF5的公共端；IF+通过电容CF8接RF4与RF8的公共端，Q+通过电容CF5接RF1、RF5的公共端，IF-通过电容CF6接RF3与RF7的公共端，Q-通过电容CF7接RF3与RF7的公共端。

5.根据权利要求2所述一种双模可重构的GNSS射频前端接收系统，其特征在于，可变增益放大器的输入端I-通过电容Cb1接入放大器OP的Vi1-输入端，Vi1-通过电阻Rb1接外部共模电平VCM，可变增益放大器的输入端I+通过电容Cb2接入放大器OP的Vi2+输入端，Vi2+通过电阻Rb2接外部共模电平VCM；电阻RV3、电容CV1、开关S3并联后接入放大器OP的输入端Vi1+与输出端O-，电阻RV4、电容CV2、开关S4并联后接入放大器OP的输入端Vi2-与输出端O+，Vi1+通过开关S1、电阻RV1、RV2、开关S2串联后接Vi2-。