CN210351144U - 多模多频段三通道射频接收机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多模多频段三通道射频接收机，包括采样时钟产生模块、SPI控制接口及三个通道接收模块，每个通道接收模块均包括低噪声放大器、小数频率综合器及两条信号调节支路，其中，信号调节支路包括依次连接的正交混频器、低通滤波器、可变增益放大器及模数转换器，两条信号调节支路的正交混频器的输入端均与低噪声放大器输出端连接，两条信号调节支路的正交混频器均与小数频率综合器连接，可变增益放大器设有自动增益控制环路，可变增益放大器输出端设有两个模拟信号输出端口，每个模数转换器输出端设有原码端口和补码端口。本实用新型采用零中频接收机架构，支持三个通道同时独立工作，能减小芯片整体面积，降低生产成本，功耗低。

Description

多模多频段三通道射频接收机

技术领域

本实用新型涉及无线电子通信领域，具体是多模多频段三通道射频接收机。

背景技术

目前全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)技术已经全球普及，各式各样的接收机也在不断推陈出新。导航系统给我们的生活带来了极大便利，并且这种需求会随着科技和技术的发展越来越大。从最初的GPS(Global PositioningSystem)到中期的伽利略卫星导航系统(Galileo satellite navigation system)和Glonass(GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM)，再到后来的BDS(BeiDou NavigationSatellite System)，导航系统已经发展到了一个非常重要的时期。特别是，2018年底，我国北斗卫星导航系统(BDS)提前提供全球服务，目前在轨卫星已达39颗。自2005年NovAtel公司为加拿大空间局(CSA)设计了北美第一台Galileo/GPS多模双频(L1/E5A)接收机以来，多模多频接收机得到了空前发展，在未来，卫星的数量还将不断地增加，这就使得在未来接收系统的发展将向着多模多频的方向继续发展。

随着国家对导航事业的不断投入，国内GNSS市场呈现迅速发展状态，国内的系统开发商多数采用国外厂商提供的GNSS接收机专用芯片。虽然，美国的GPS系统占据了市场的大部分份额，但这个优势在不久的将来就会随着其他国家导航系统的出现被削弱。因此，能够同时接收多套导航卫星信号的接收机将是未来发展的趋势所在。然而，现有的多模多频射频接收机实现方案普遍存在面积大，功耗较大，芯片一致性较差，量产成本较高等缺点，不利于大规模应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决目前多模多频射频接收机存在面积大、功耗较大、芯片一致性较差及量产成本高的问题，提供了一种多模多频段三通道射频接收机，其采用零中频接收机架构，能减小芯片整体面积，降低生产成本，功耗低。

本实用新型的目的主要通过以下技术方案实现：多模多频段三通道射频接收机，包括采样时钟产生模块、SPI控制接口及三个通道接收模块，每个通道接收模块均包括低噪声放大器、小数频率综合器及两条信号调节支路，所述信号调节支路包括依次连接的正交混频器、低通滤波器、可变增益放大器及模数转换器，两条信号调节支路的正交混频器的输入端均与低噪声放大器输出端连接，两条信号调节支路的正交混频器均与小数频率综合器连接，所述可变增益放大器设有自动增益控制环路，所述可变增益放大器输出端设有两个模拟信号输出端口，每个模数转换器输出端设有原码端口和补码端口；

低噪声放大器，用于接收射频信号并进行低噪声放大；

正交混频器，用于接收小数频率综合器产生的信号作为下变频本振信号，然后将低噪声放大器放大的信号经过正交下变频转换为零中频信号；

SPI控制接口，用于配置小数频率综合器提供给正交混频器的本振信号频率、低通滤波器的截止频率、以及模数转换器的采样频率和bit位数；

低通滤波器，用于对正交混频器产生的中频信号进行滤波；

可变增益放大器，采用自动增益控制环路对低通滤波器滤波后的信号进行放大，并通过模拟信号输出端口输出模拟信号；

模数转换器，用于接收可变增益放大器输出的模拟信号并进行模数转换，然后通过原码端口输出原码和补码端口输出补码；

采样时钟产生模块，用于产生模数转换器所需的采样时钟信号。

本实用新型通信过程中，三个通道接收模块同时独立工作，输入的射频信号首先进行低噪声放大，然后经过正交下变频转换为零中频信号，下变频所需的本振信号由小数频率综合器产生，中频信号再通过低通滤波器滤除干扰信号以后由可变增益放大器采用自动增益控制环路进行放大，最后通过模数转换器实现原码/补码输出。

进一步的，每个通道接收模块的两个可变增益放大器共用同一自动增益控制环路。本实用新型中每个通道的接收中频信号包括正交和同相支路，需要确保两个支路的增益相等，相位相差90度，因此AGC控制由同一个电路实现，同时控制两个支路的VGA增益，确保两者的增益相同。

进一步的，所述自动增益控制环路包括前置可变增益放大器、低通滤波器、第一可变增益放大器、第二可变增益放大器、自动增益控制模拟模块及自动增益控制数字模块，所述前置可变增益放大器、低通滤波器、第一可变增益放大器及第二可变增益放大器顺次连接；所述自动增益控制数字模块设有两个输入端口和六个输出端口，所述自动增益控制模拟模块包括包络检测器、第一比较器、第二比较器、第一反相器、第二反相器及与非门，所述包络检测器的两个输入端与第二可变增益放大器两个输出端一一对应连接，所述第一比较器反相输入端和第二比较器的同相输入端均与包络检测器输出端连接，所述第一反相器输入端与第一比较器输出端连接，其输出端与自动增益控制数字模块一个输入端连接；所述与非门的两个输入端分别与第一比较器输出端和第二比较器输出端连接，第二反相器输入端连接与非门输出端，其输出端与自动增益控制数字模块另一个输入端连接；所述自动增益控制数字模块的一个输出端口同时与前置可变增益放大器、低通滤波器、第一可变增益放大器及第二可变增益放大器连接，一个输出端口同时与低通滤波器和第二可变增益放大器连接，其余四个输出端口均与低通滤波器连接；所述第一比较器同相输入端和第二比较器反相输入端用于输入偏置电压。本实用新型的自动增益控制部分由自动增益控制模拟模块构成的模拟电路、以及自动增益控制数字模块构成的数字电路两部分组成，自动增益控制模拟模块将中频输出信号进行包络检波得到中频信号的幅度值，然后与参考幅度值进行比较，以判定中频信号是否在要求的幅值范围内，产生指示信号。自动增益控制数字模块根据该指示信号进行数字信号处理，产生6位数字控制信号去控制接收机中低通滤波器和可变增益放大器的增益，从而实现自动增益控制，以维持接收机输出幅度基本不变。

进一步的，所述包络检测器的每个输入端与其连接的第二比较器输出端之间的线路上均设置有一个电容。如此，本实用新型的自动增益控制模拟模块先将中频输出信号进行滤波处理后再输入包络检测器进行处理，能使得到的中频信号幅度值更加平滑。

进一步的，所述第一比较器输出端至第一反相器输入端之间的线路上依次串联有第三反相器和第四反相器，所述与非门与第一比较器输出端连接的输入端连接于第四反相器和第一反相器之间的线路上；所述第二比较器输出端至与非门输入端之间的线路上依次串联有第五反相器和第六反相器。本实用新型通过在第一比较器输出端与第一反相器输入端之间的线路上串联第三反相器和第四反相器，以及在第二比较器输出端与非门输入端之间的线路上串联第五反相器和第六反相器，避免第一比较器和第二比较器输出的电平不是标准电平或波形不理想，采用连续两个反相器来给波形整形，并变为标准电压的电平输出。

进一步的，所述小数频率综合器二分频输出频率范围1100M～1700MHz。如此，本实用新型应用时适用于1100MHz到1700MHz频率范围内的射频信号接收，进而保证适用于GNSS系统的射频信号接收。

进一步的，所述采样时钟产生模块输出采样时钟频率范围10M～120MHz。

综上所述，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)本实用新型整体结构简单，使用元器件少，便于实现，成本低，采用零中频接收机架构，实现超低功耗设计，高集成度，能减小芯片整体面积，降低生产成本，功耗低。

(2)本实用新型简化了多模多频段多通道接收机系统设计，实现了更低的噪声系数、更小的本振相位噪声、更高的接收线性度指标、更强的抗干扰能力、支持更大的接收信号带宽和更快的ADC采样速率，增强了芯片性能，节省了芯片面积和生产成本。

(3)本实用新型通过SPI控制接口分别控制三个通道的关键参数设置，使其分别兼容不同频段。可配置的关键参数包括小数频率综合器提供给正交混频器的本振信号频率、低通滤波器的截止频率、模数转换器的采样频率和bit位数等，通过配置不同的参数以适应不同卫星导航频段标准的系统需求，进而使得本实用新型宽频率兼容GPS L1/L2/L5，E1/E2/E5a/E5b， Glonass G1/G2/G3，BDB1/B2/B3频段。

(4)高精度卫星导航需要综合利用多个导航系统和多个导航频率的伪距及位置坐标计算结果来进行联合定位，相互校准和补偿后得到更精确的位置信息。本实用新型能够同时接收三个卫星导航系统的不同导航信号，结合卫星导航基带信号处理及高精度载波相位差分技术 (RTK)的定位模式可以达到厘米级别的定位精度，单芯片低成本高性能，能更好地满足同时接收多套导航卫星信号的需求，能够广泛应用于精准农业、工程放样、高精度实时定位导航、地形测图以及各种控制测量，性能上完全超越了国外同类芯片，填补了我国高性能高精度导航接收机芯片方面的空白，具有极大实用价值。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型一个具体实施例的系统框图；

图2为图1中自动增益控制环路结构框图；

图3为自动增益控制模拟模块的原理图；

图4为小数频率综合器的系统框图；

图5为采样时钟产生模块的系统框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例：

如图1所示，多模多频段三通道射频接收机，包括采样时钟产生模块、SPI控制接口及三个通道接收模块，每个通道接收模块均包括低噪声放大器、小数频率综合器及两条信号调节支路，其中，信号调节支路包括依次连接的正交混频器、低通滤波器、可变增益放大器及模数转换器，两条信号调节支路的正交混频器的输入端均与低噪声放大器输出端连接，两条信号调节支路的正交混频器均与小数频率综合器连接。本实施例的可变增益放大器设有自动增益控制环路，可变增益放大器输出端设有两个模拟信号输出端口，每个模数转换器输出端设有原码端口和补码端口。本实施例的低噪声放大器，用于接收射频信号并进行低噪声放大；正交混频器，用于接收小数频率综合器产生的信号作为下变频本振信号，然后将低噪声放大器放大的信号经过正交下变频转换为零中频信号；SPI控制接口，用于配置小数频率综合器提供给正交混频器的本振信号频率、低通滤波器的截止频率、以及模数转换器的采样频率和bit 位数；低通滤波器，用于对正交混频器产生的中频信号进行滤波；可变增益放大器，采用自动增益控制环路对低通滤波器滤波后的信号进行放大，并通过模拟信号输出端口输出模拟信号；模数转换器，用于接收可变增益放大器输出的模拟信号并进行模数转换，然后通过原码端口输出原码和补码端口输出补码；采样时钟产生模块，用于产生模数转换器所需的采样时钟信号，其中，采样时钟产生模块输出采样时钟频率范围10M～120MHz。每个通道接收模块的两个可变增益放大器共用同一自动增益控制环路。本实施例应用时，采用TSMC 0.18um COMS工艺设计制造。本实施例支持三个通道同时独立工作，片上集成三个通道接收模块均包括低噪声放大器LNA及正交混频器MIXER、低通滤波器LPF、可变增益放大器VGA、模数转换器ADC及小数频率综合器PLL，仅需很少的外围元器件即可工作，支持模拟和数字同时输出。

如图2及图3所示，本实施例的自动增益控制环路包括前置可变增益放大器、低通滤波器、第一可变增益放大器、第二可变增益放大器、自动增益控制模拟模块及自动增益控制数字模块，其中，前置可变增益放大器、低通滤波器、第一可变增益放大器及第二可变增益放大器顺次连接。本实施例的自动增益控制数字模块设有两个输入端口和六个输出端口，前置可变增益放大器、低通滤波器、第一可变增益放大器及第二可变增益放大器均设有两个输入端和两个输出端。自动增益控制模拟模块包括包络检测器、第一比较器、第二比较器、第一反相器1、第二反相器2及与非门，包络检测器的两个输入端与第二可变增益放大器两个输出端一一对应连接，第一比较器反相输入端和第二比较器的同相输入端均与包络检测器输出端连接，第一反相器1输入端与第一比较器输出端连接，其输出端与自动增益控制数字模块一个输入端连接。本实施例的与非门的两个输入端分别与第一比较器输出端和第二比较器输出端连接，第二反相器2输入端与与非门输出端连接，其输出端与自动增益控制数字模块另一个输入端连接。本实施例的自动增益控制数字模块的一个输出端口同时与前置可变增益放大器VGA_Pre、低通滤波器、第一可变增益放大器VGA1及第二可变增益放大器VGA2连接，一个输出端口同时与低通滤波器和第二可变增益放大器VGA2连接，其余四个输出端口均与低通滤波器连接。为了提升输入包络检测器信号的稳定性，本实施例的包络检测器的每个输入端与其连接的第二比较器输出端之间的线路上均设置有一个电容。为了提升输入自动增益控制数字模块输入电平的平稳性，本实施例的第一比较器输出端至第一反相器1输入端之间的线路上依次串联有第三反相器3和第四反相器4，与非门与第一比较器输出端连接的输入端连接于第四反相器和第一反相器1之间的线路上。本实施例的第二比较器输出端至与非门输入端之间的线路上依次串联有第五反相器5和第六反相器6。本实施例中前置可变增益放大器输入端与信号调节支路中可变增益放大器输出端连接，其输出端与信号调节支路中可变增益放大器的反馈信号输入端连接。

本实施例应用时，第一比较器同相输入端和第二比较器反相输入端用于输入偏置电压，自动增益控制模拟模块将中频输出差分信号首先经过包络检波和低通滤波平滑处理得到幅度信息，然后通过两个比较器与高低参考电压进行比较以检测信号幅度是否在系统要求的范围内，比较的结果经过数字逻辑运算以后得到DIREC增益变化方向指示信号(‘1’为增加增益，‘0’为减小增益)和INGANGE范围内与否指示信号(‘1’为范围内，‘0’为范围外)，这两个指示信号送到后级自动增益控制数字模块进行处理，得到6bit数字控制信号，控制低通滤波器和可变增益放大器的增益。可变增益放大器模块由3部分组成。前置可变增益放大器 VGA_Pre、第一可变增益放大器VGA1和第二可变增益放大器VGA2。前置可变增益放大器 VGA_Pre放置在低通滤波器之前，能降低接收机的噪声，可变增益放大器与低通滤波器共同控制接收机的总增益变化。具体来说，当中频输出差分信号功率低于3dBm时，比较器输出经过数字逻辑运算以后得到DIREC＝1和INGANGE＝0，自动增益控制数字模块产生6bit数字控制信号，增大低通滤波器和可变增益放大器的增益，使中频信号输出功率增加；当中频输出差分信号功率高于5dBm时，比较器输出经过数字逻辑运算以后得到DIREC＝0和INGANGE＝0，自动增益控制数字模块产生6bit数字控制信号，减小低通滤波器和可变增益放大器的增益，以使中频信号输出功率降低，最终实现中频信号输出功率稳定在4dBm左右。本实施例通过自动增益控制环路检测输出中频信号幅度，通过自动控制低噪声放大器和可变增益放大器的增益实现输出中频信号幅度的稳定。

如图4所示，本实施例的小数频率综合器PLL使用全集成的sigma-delta调制的小数分频锁相环结构，分别为三个接收通道提供低相位噪声的本振信号。PLL内部集成了宽带压控振荡器VCO、自动频段校准电路、sigma-delta调制器、前置预分频器Prescaler，PS计数器PScounter，参考频率分频器Rcounter，鉴频鉴相器PFD，电荷泵CP和锁定检测电路。PLL实际输出频率由PS计数器PScounter和参考频率分频器Rcounter的设定值以及晶振TCXO参考频率决定。 PLL内部VCO自动校准电路calibration，上电后先由自动校准电路校准VCO电容开关阵列，待环路锁定后，关闭校准电路。本实施例的宽频带压控振荡器VCO产生本振LO信号，实现 2200M～3400MHz频率覆盖范围。PLL内部VCO自动校准电路，上电后先由自动校准电路校准VCO电容开关阵列，待环路锁定后，关闭校准电路。PLL产生的本振信号通过DIV2分频产生1100MHz～1700MHz频率，为接收通道的Mixer提供一个稳定的大摆幅本振信号进行变频操作。PLL默认参考频率10MHz，输出频率范围2200M～3400MHz，经过除二分频输出频率范围1100M～1700MHz，完全满足1.1GHz～1.7GHz频段的卫星信号。低相位噪声的VCO 提高了本振信号的频谱纯度，提高了系统抗带外信号干扰的能力，单个宽带锁相环覆盖频率范围1.1G～1.7GHz，包含了全部的卫星导航频率，使得该芯片单个通道能配置接收所有的卫星信号，极大的提高了系统使用的灵活性。本实施例的三个通道的小数频率综合器都是宽带的设计，可以配置为1.1GHz～1.7GHz的任意频率点，所有频率点的信号相位噪声、杂散等指标都满足导航系统要求，接收不同频段的卫星导航信号时只需要配置小数频率综合器工作在所需的对应频率点即可。

本实施例应用时，以第一通道接收模块为例，输入单端信号，首先经过低噪声放大器LNA 放大20dB。然后进入一次变频正交混频器转换为0～20MHz正交中频信号。再通过低通滤波器LPF和可变增益放大器VGA对中频信号进行滤波和放大，输出Vpp为1V的差分模拟中频信号。低通滤波器LPF的功能是对中频信号进行低通滤波，并和可变增益放大器VGA一起提供增益控制功能。本实施例的低通滤波器LPF采用六阶切比雪夫滤波器结构，具体由三个二阶滤波单元实现，三个单元总共有8dB、4dB、3dB、3dB、2dB、1dB这6个增益状态，总增益21dB，步进1dB。可变增益放大器VGA的功能是对中频信号进行放大，增益范围0dB～ 42dB，具体放大倍数通过自动增益控制环路AGC数字信号控制，与低通滤波器LPF一起实现增益调节范围64dB，增益步进1dB/step，低通滤波器LPF与可变增益放大器VGA接收通路带有直流失调校准功能。最后通过模数转换器ADC实现了4Bit/2Bit原码/补码输出，仅需很少的外围元器件即可工作，支持模拟和数字同时输出。接收通道整体噪声系数小于5dB，镜像抑制度大于35dBc。

如图5所示，本实施例的采样时钟产生模块ADC PLL采用整数频率综合器，本实施例的芯片中所有的设置操作均通过SPI接口进行，芯片内各模块均有电源管理功能，用户可根据实际需要通过SPI开关相应模块。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.多模多频段三通道射频接收机，其特征在于，包括采样时钟产生模块、SPI控制接口及三个通道接收模块，每个通道接收模块均包括低噪声放大器、小数频率综合器及两条信号调节支路，所述信号调节支路包括依次连接的正交混频器、低通滤波器、可变增益放大器及模数转换器，两条信号调节支路的正交混频器的输入端均与低噪声放大器输出端连接，两条信号调节支路的正交混频器均与小数频率综合器连接，所述可变增益放大器设有自动增益控制环路，所述可变增益放大器输出端设有两个模拟信号输出端口，每个模数转换器输出端设有原码端口和补码端口；

低噪声放大器，用于接收射频信号并进行低噪声放大；

正交混频器，用于接收小数频率综合器产生的信号作为下变频本振信号，然后将低噪声放大器放大的信号经过正交下变频转换为零中频信号；

SPI控制接口，用于配置小数频率综合器提供给正交混频器的本振信号频率、低通滤波器的截止频率、以及模数转换器的采样频率和bit位数；

低通滤波器，用于对正交混频器产生的中频信号进行滤波；

可变增益放大器，采用自动增益控制环路对低通滤波器滤波后的信号进行放大，并通过模拟信号输出端口输出模拟信号；

模数转换器，用于接收可变增益放大器输出的模拟信号并进行模数转换，然后通过原码端口输出原码和补码端口输出补码；

采样时钟产生模块，用于产生模数转换器所需的采样时钟信号。

2.根据权利要求1所述的多模多频段三通道射频接收机，其特征在于，每个通道接收模块的两个可变增益放大器共用同一自动增益控制环路。

3.根据权利要求1所述的多模多频段三通道射频接收机，其特征在于，所述自动增益控制环路包括前置可变增益放大器、低通滤波器、第一可变增益放大器、第二可变增益放大器、自动增益控制模拟模块及自动增益控制数字模块，所述前置可变增益放大器、低通滤波器、第一可变增益放大器及第二可变增益放大器顺次连接；所述自动增益控制数字模块设有两个输入端口和六个输出端口，所述自动增益控制模拟模块包括包络检测器、第一比较器、第二比较器、第一反相器、第二反相器及与非门，所述包络检测器的两个输入端与第二可变增益放大器两个输出端一一对应连接，所述第一比较器反相输入端和第二比较器的同相输入端均与包络检测器输出端连接，所述第一反相器输入端与第一比较器输出端连接，其输出端与自动增益控制数字模块一个输入端连接；所述与非门的两个输入端分别与第一比较器输出端和第二比较器输出端连接，第二反相器输入端连接与非门输出端，其输出端与自动增益控制数字模块另一个输入端连接；所述自动增益控制数字模块的一个输出端口同时与前置可变增益放大器、低通滤波器、第一可变增益放大器及第二可变增益放大器连接，一个输出端口同时与低通滤波器和第二可变增益放大器连接，其余四个输出端口均与低通滤波器连接；所述第一比较器同相输入端和第二比较器反相输入端用于输入偏置电压。

4.根据权利要求3所述的多模多频段三通道射频接收机，其特征在于，所述包络检测器的每个输入端与其连接的第二比较器输出端之间的线路上均设置有一个电容。

5.根据权利要求3所述的多模多频段三通道射频接收机，其特征在于，所述第一比较器输出端至第一反相器输入端之间的线路上依次串联有第三反相器和第四反相器，所述与非门与第一比较器输出端连接的输入端连接于第四反相器和第一反相器之间的线路上；所述第二比较器输出端至与非门输入端之间的线路上依次串联有第五反相器和第六反相器。

6.根据权利要求1所述的多模多频段三通道射频接收机，其特征在于，所述小数频率综合器二分频输出频率范围1100M～1700MHz。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的多模多频段三通道射频接收机，其特征在于，所述采样时钟产生模块输出采样时钟频率范围10M～120MHz。

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