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GNSS卫星导航射频前端芯片

作者:时间:2017-06-03来源:网络收藏

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/347533.htm

新部署的(GNSS),例如,欧洲Galileo和中国2(曾叫指南针)以及更新的GLONASS,正在推动业界研发新型定位接收器。新型接收器至少能够处理L1波段的所有信号(大约1550-1610MHz),既包括共用同一GPS C/A L1载波频率的卫星信号,即二进制偏移载波(BOC)的调制信号,例如, Galileo E1 Open Service (OS),也包括采用不同载波频率的信号,例如,中心频率略高(大约1550-1610 MHz)的基于FDMA的GLONASS信号或者以1561.098MHz为中心频率的中国现有的2 Open Service B1I信号。

定位接收器能够接收两个或更多不同发射的信号有诸多好处,例如,系统稳健,搜到的卫星数量多,几何精度系数高,在高楼林立城区等信号较弱的环境 内有更出色的定位性能和更高的定位精度,这是因为如果处理得当,BOC调制信号可取得比GPS C/A代码更高的调谐精度和更高的多通道抑制比。

为处理所有这些信号,GNSS接收机对带宽、线性和抗干扰性能的要求比传统的消费类GPS接收机更高。这些要求对FE ()设计人员提出了新的挑战。最后,为了能够集成在多个平台内,必须符合不同频带,特别是通信和远程信息处理系统最常用频带的要求。

本文介绍一个采用65nm CMOS制造工艺的低功耗的GPS/Galileo L1/E1 OS、GLONASS和2-B1I芯片。对于Galileo系统,考虑到中频滤波器的带宽仅比4MHz略高,根据大众市场产品(消费电子产品 和汽车)的性能要求,我们决定只支持OS Composite-BOC信号中的BOC(1,1)调制信号。

该射频前端可在几个不同的基本功能之间切换:仅GPS模式(窄带中频,大约2 MHz)、GPS/Galileo 模式(宽带中频,大约4 MHz)、仅GLONASS模式、GPS/GLONASS模式、GPS/Galileo/GLONASS (G3)模式、仅北斗2模式、GPS/北斗2模式、GPS/Galileo/北斗2模式和GPS/Galileo /GLONASS/北斗2模式(GLONASS和北斗2信号强度有所降低,其中部分原因是在相关中频滤波器内两个信号重叠)。

我们将默认外部参考频率设定为26 MHz。但是该芯片有一个可编程频率合成器,通过串行外设接口SPI提供的正确设置,我们可以将常用TCXO (温补晶振)频率中的大部分频率设为参考频率。

射频前端概述和系统架构

表1列出了这个L1/E1/G1/B1射频前端设计的规格目标,图1是接收器的简明框图。对于GPS/Galileo信号,接收器采用低中频的单下变频架构,中频频率为4 f0 (f0=1.023 MHz)。


表1: GPS/GALILEO/GLONASS L1/E1前端参数规格


表2:支持的部分TCXO频率和分频数值

对于GLONASS信号,接收器采用低中频的双下变频架构,并与GPS/Galileo通道共用第1下变频混频器,最终中频约为8.566MHz。对于现在 的北斗2 B1I信号,系统架构是单下变频,在第一混频器后,利用1571.328MHz本振频率取得大约10 f0镜像信号。下变频频率方案如图2所示。所需的频率全都由一个全嵌入式锁相环生成,所有处理信号的采样频率为64 f0。


图1: GPS/GALILEO/GLONASS/BEIDOU2 L1/E1/G1/B1I 射频前端接收器原理简图


图2:频率方案:GPS/GAL、北斗2和GLONASS首次变频后的频带(a);当链路配置成接收GLONSS信号时,同一带宽在第二链路多相滤波和二次变频后的分布情况 (b)。

本产品将LNA (低噪放大器)和RFA直接相连,构成两级LNA架构,这样设计的优点是节省两个外部引脚,无需网络匹配;第1个LNA级的工作电流被降低(节省约 3mA),同时增益和噪声系数与前代产品所列架构几乎相同。不过,这种设计也有缺点,在通道分离度和带外抑制比方面,两级设计的灵活性有所欠缺。

来自天线和外部预选滤波器的GNSS信号被该芯片内部的两级LNA放大。要想取得最好的增益与噪声系数比,需要进行外部输入匹配和直流去耦。为了取 得良好的隔离特性和低功耗,每级电路都基于共源共栅单端配置。取得LNA目标性能所需的低衰减电感只能通过引线键合来实现。LNA输出内部隔离直流,直接 连接第一个混频器,利用正交本振输入频率,使中频滤波器的镜像抑制比(IRR)高于20dB。LNA和混频器部分的良好线性保证信号不受GNSS信号附近 的射频隔离器的影响,准许在射频模拟前端前面连接低质量的外部预选滤波器。

中频信号进入两个中频信号链路,如图1所示。第1 个链路用于接收GPS/Galileo信号,连接一个复杂的中频带通滤波器,中心频率为4 f0,仅GPS配置时,1dB带宽为2MHz;当配置成Galileo时,带宽增至4MHz。在中频滤波器后是有自动增益控制功能的VGA(可变增益放大 器)和ADC模块。

第二个中频链路可配置成接收北斗B1I或GLONASS信号,或者根据所选数据位能够同时接收北斗2 B1I和GLONASS信号。多相滤波器后面跟一个第二混频器和一个复杂的北斗2 B1I/GLONASS中频滤波器,该滤波器经过重新设计,可降低功耗和电路尺寸,优化滤波性能。北斗2 B1信号通过一个移相器绕过多相滤波器和第二混频器,送入复杂的北斗2 B1I/GLONASS中频滤波器。不论是哪一种情况,GLONASS/BeiDou2中频滤波器输出信号都是送到VGA和3位ADC,最后再送到基带处理器。

值得注意的是,两个信号链路上的AGC 和ADC模块共用同一配置,对于带宽更大的GLONASS信号,对配置稍做修改即可。


图3:频率合成器框图


图4:射频前端布局

结论

本文介绍了一个采用CMOS 65nm技术制造的基于低中频滤波器的低功耗L1/E1/G1/B1 GPS/Galileo/GLONASS/北斗2导航卫星系统模拟射频前端,支持多数最常用的TCXO频率。该产品个有很高的集成度,从而能够低材料成 本,同时为客户保留了设计活性(多个前端参数可通过SPI总线设置),当芯片全力工作时,即GPS/Galileo和GLONASS/北斗2两个链路都运 行时,在1.2V电源电压下,功耗大约23mW(在GPS/Galileo模式下17.4mW)。这款射频前端可以在同一颗芯片上集成性能略加修改的基带 接收器,例如,STA8089/STA8090 Teseo III(但是需要采用55nm制造工艺)。



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