摘 要： 設(shè)計(jì)了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)射頻前端部分，介紹了以RX3605芯片為基礎(chǔ)的導(dǎo)航接收機(jī)射頻前端的組成及工作原理，同時(shí)對(duì)RX3605芯片的內(nèi)容和應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了介紹。完成了以GPS L1/BD B2雙頻點(diǎn)雙通道的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)射頻前端的電路的集成設(shè)計(jì)。通過(guò)相關(guān)計(jì)算，估算出了射頻前端接收鏈路的載噪比，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。本設(shè)計(jì)的射頻前端模塊高度集成，使得導(dǎo)航接收機(jī)變得更加小巧、靈活。
關(guān)鍵詞： RX3605；GPS L1；BD B3；衛(wèi)星導(dǎo)航
1 射頻前端模塊
1.1 射頻前端的組成
射頻（RF）模塊通過(guò)天線接收所有可見(jiàn)GPS/北斗衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)前置濾波器和放大器的濾波放大后，再與本地振蕩器產(chǎn)生的正弦波進(jìn)行混頻而下變頻成中頻（IF）信號(hào)，最后經(jīng)模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)變成離散時(shí)間的數(shù)字中頻信號(hào)。它位于接收機(jī)天線與基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊之間，將接收到的射頻模擬信號(hào)離散成包含有GPS信號(hào)成分、頻率較低的數(shù)字中頻信號(hào)，并在此過(guò)程中進(jìn)行必要的濾波和增益控制[1]。常見(jiàn)射頻前端處理如圖1所示。
1.2 低噪聲放大器（LNA）
GPS衛(wèi)星使用C/A碼調(diào)制后的衛(wèi)星L1載波向地面接收用戶發(fā)射信號(hào)。由于衛(wèi)星工作的特殊性，其在發(fā)射信號(hào)時(shí)的功率一般都很有限，大約在21.9 W以上。而這些衛(wèi)星信號(hào)要到達(dá)接收機(jī)，需要經(jīng)過(guò)大氣信號(hào)衰減-2.0 dB、極化失配損失-3.4 dB、空間信號(hào)衰減-2.0 dB等損耗。因此，接收機(jī)通過(guò)天線接收到的信號(hào)功率很弱，地面接收到的最小信號(hào)強(qiáng)度為-158 dBW~-160 dBW[2]，根據(jù)規(guī)定，最大信號(hào)強(qiáng)度約為-153 dBW。
接收機(jī)只有對(duì)接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行放大處理后，才能夠?qū)⑿盘?hào)再繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的處理。低噪聲放大器是接收機(jī)射頻前端模塊的重要組成部分，它能夠在保證足夠低的噪聲控制的同時(shí)，直接接收天線信號(hào)并提供信號(hào)的放大。LNA緊接天線，其噪聲性能相當(dāng)重要，它關(guān)系到整個(gè)射頻模塊的噪聲指數(shù)，一個(gè)具有高增益的低噪聲放大器應(yīng)該設(shè)計(jì)部署在射頻前端信號(hào)處理的初級(jí)階段。LNA的性能指標(biāo)包括增益、噪聲系數(shù)、穩(wěn)定性、線性度、動(dòng)態(tài)范圍和帶寬等。常見(jiàn)的能提供電阻性輸入阻抗的LNA結(jié)構(gòu)主要有：輸入端并聯(lián)電阻共源放大器、并-串聯(lián)負(fù)載放大器、共柵放大器以及源極負(fù)反饋電感共源放大器。
1.3 帶通濾波器（BPF）
GPS信號(hào)中既有L1載波信號(hào)，還有L2載波信號(hào)。對(duì)于L1單頻民用接收機(jī)來(lái)說(shuō)，必須通過(guò)各級(jí)濾波器濾除其中L2載波信號(hào)，才能最終解算出L1信號(hào)中的有效信息。
1.4 混頻器（Mixer）
混頻即稱變頻，是頻率變換的一個(gè)過(guò)程，它能將信號(hào)從某一頻率搬移到另一頻率，得到目標(biāo)信號(hào)頻率?；祛l器是指產(chǎn)生的振蕩頻率為兩個(gè)輸入振蕩或信號(hào)頻譜分量中的頻率的整數(shù)倍的線性組合的非線性器件。在接收系統(tǒng)中，接收機(jī)接收到的BPSK信號(hào)頻率為1 575.42 MHz左右，如果直接在此基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理難度很大，需要把射頻信號(hào)下變頻為較低的中頻信號(hào)。作為混頻結(jié)果，中頻信號(hào)不僅保留著原來(lái)射頻信號(hào)的GPS信息和數(shù)據(jù)，而且它更適于采樣。
1.5 可變?cè)鲆娣糯笃鳎ˋGC）
自動(dòng)增益控制也是射頻前端的重要組成部分，它的作用是當(dāng)輸入信號(hào)電壓變化很大時(shí)，保持射頻前端輸出電壓值的穩(wěn)定。作為一種反饋控制環(huán)路，其基本的組成為AGC檢波、低通濾波、直流放大3個(gè)部分。
1.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）
射頻前端的最后部分是模數(shù)轉(zhuǎn)換，其作用是將前面混頻、濾波和放大處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。ADC的性能指標(biāo)主要包括帶寬、分辨率和功耗。對(duì)于一個(gè)n位的ADC而言，它的分辨率等于2n，對(duì)于RX3605而言，其ADC部分的分辨率為16，位數(shù)越多的ADC其具有的分辨率越高。
2 RX3605芯片應(yīng)用
2.1 RX3605簡(jiǎn)介
RX3605采用0.13 μm RFCMOS制作工藝，集成度極高，其具有雙接收通道，可以并行接收BD2 B1/GPS L1+BD2 B2/B3。其中B1/L1組成一個(gè)可切換工作通道，B2/B3組成一個(gè)可切換通道且兩個(gè)通道獨(dú)立工作，支持單通道模式。衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)天線和巴倫后輸入到RX3605，RX3605輸出一個(gè)8 bit的數(shù)字中頻信號(hào)。RX3605采用5 mm×5 mm QFN40封裝，工作電壓為1.8 V~3.3 V，雙通道電流典型值為65 mA。RX3605包括具有鏡頻抑制功能的混頻器（Mixer）、中頻帶通濾波器（BPF）濾波、可變?cè)鲆娣糯笃鳎ˋGC）、模數(shù)變換器（ADC）、壓控振蕩器、小數(shù)分頻鎖相環(huán)和低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）等電路，僅需很少的外圍元器件即可工作。
2.2 RX3605內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理
RX3605內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
RX3605具有多通道、多頻點(diǎn)工作的特性。以GPS L1信號(hào)為例，衛(wèi)星信號(hào)中不僅摻雜著噪聲，而且在信號(hào)波段內(nèi)外還可能存在著各種有意或無(wú)意的干擾信號(hào)。RX3605接收從衛(wèi)星發(fā)射的L1信號(hào)，通過(guò)片外聲表濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行初級(jí)處理，濾除頻譜以外的雜散和干擾，而后信號(hào)進(jìn)入芯片中的低噪聲放大器，對(duì)信號(hào)功率進(jìn)行放大處理，再經(jīng)過(guò)混頻器，對(duì)信號(hào)下變頻，使信號(hào)頻率降低，經(jīng)過(guò)中頻帶通濾波器濾波，濾除衛(wèi)星信號(hào)中的非L1載波成分，再通過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃骱? bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路，最終量化成15.58 MHz的數(shù)字中頻信號(hào)輸出給基帶芯片。
2.3 RX3605電路應(yīng)用
RX3605應(yīng)用原理圖如圖3所示。
本設(shè)計(jì)采用GPS L1與BD B2雙通道雙頻點(diǎn)工作模式。射頻信號(hào)L1通過(guò)芯片9、10管腳進(jìn)入LNA的輸入P和N端。同理，射頻信號(hào)B2通過(guò)芯片1、2管腳進(jìn)入LNA的輸入N、P端。管腳6為射頻電路VCO（壓控振蕩器）以及中頻電路的LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）輸入端，即AVDD，取其值為2.5 V。管腳7為給VCO的LDO濾波端口，其接10 nF濾波電容。管腳12為L(zhǎng)1通道VCO控制電壓端口，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到C14=15 pF，C15=470 pF，R14=47 k?贅。10 MHz晶振通過(guò)管腳14輸入。管腳18、33分別為L(zhǎng)1、B2模擬中頻輸出。管腳19為數(shù)字電路以及I/O口的LDC輸入端，VD_3P3=3.3 V。20~22管腳為SPI設(shè)置端口，20管腳為SPI使能端，21管腳為SPI時(shí)鐘端，22管腳為SPI數(shù)據(jù)端。23~26管腳為L(zhǎng)1通道數(shù)字中頻ADC輸出，默認(rèn)補(bǔ)碼輸出。27~30管腳為B2通道數(shù)字中頻ADC輸出，默認(rèn)補(bǔ)碼輸出。31管腳為ADC采樣時(shí)鐘輸出端，f=62 MHz。35、36管腳分別為B2/B3、B1/L1通道頻點(diǎn)硬線選擇控制開(kāi)關(guān)端口，35、36管腳都接阻值為800 k?贅電阻拉低，即選擇了B2、L1頻點(diǎn)工作模式。37管腳為62 MHz時(shí)鐘通道VCO控制電壓端口，接環(huán)路濾波器。39管腳為B2/B3通道VCO控制電壓端口，接環(huán)路濾波器。
2.4 外圍設(shè)備電路應(yīng)用
外圍設(shè)備電路如圖4~圖7所示。
取常用參數(shù)典型值，可以得到采用RX3605芯片設(shè)計(jì)的射頻鏈路載噪比，如：Ta=100 K；L=0.5 dB；NF=6 dB；T0=300 K；Pr=-160 dBW；GA=15 dB；K=-228.6 dBW/K-Hz。計(jì)算可得：C/N0=53.04 dB-Hz
考慮到變頻器、濾波器、放大器、ADC等各種器件以及后續(xù)處理帶入系統(tǒng)的干擾。GPS接收機(jī)接收12號(hào)星（SV12）所示實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)51.12 dB-Hz如圖8所示。設(shè)計(jì)模塊的理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合，并且模塊能夠穩(wěn)定接收衛(wèi)星信號(hào)并順利工作。
參考文獻(xiàn)
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