北斗一體化導航模塊終端設計實(shí)現

隨著(zhù)全球四大衛星導航系統的格局形成，北斗導航系統的應用及發(fā)展前景政策逐漸明朗化，北斗導航終端設備已經(jīng)從分立元件逐步向集成化和芯片化方向發(fā)展。但是，如何解決北斗終端設備體積大、成本高、功耗大和可靠性低等諸因素的限制呢？

北斗衛星導航系統從2000年發(fā)射系統衛星至今在軍民領(lǐng)域的廣泛應用，一直處于從研究到應用轉化過(guò)程中，現在正在從試驗應用型向業(yè)務(wù)服務(wù)型轉變。衛星應用已成為經(jīng)濟建設、社會(huì )發(fā)展和政府決策的重要支撐。根據《國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展第十一個(gè)五年規劃綱要》和《航天發(fā)展十一五規劃》的內容，將會(huì )加快形成建立以北斗衛星導航系統為核心的民用導航產(chǎn)業(yè)體制；促進(jìn)北斗衛星導航系統的產(chǎn)業(yè)化應用；對于涉及國家經(jīng)濟、公共安全的重要行業(yè)領(lǐng)域須逐步過(guò)渡到采用北斗衛星導航兼容其它衛星導航系統的服務(wù)體制，鼓勵其他行業(yè)和領(lǐng)域采用北斗衛星導航兼容其它衛星導航系統的服務(wù)體制；大力推動(dòng)衛星導航運營(yíng)業(yè)的規?；?、規范化發(fā)展；鼓勵自主知識產(chǎn)權衛星導航接收芯片、關(guān)鍵元器件、電子地圖、用戶(hù)終端等產(chǎn)品的標準化和產(chǎn)業(yè)化。到2020年，完成應用衛星從試驗應用型向業(yè)務(wù)服務(wù)型轉變，地面設備國產(chǎn)化率達80%。

北京廣嘉電子作為北斗導航產(chǎn)業(yè)鏈中廠(chǎng)商中的一員，利用自身在芯片設計和北斗行業(yè)的經(jīng)驗，在業(yè)界首先推出了成本低、體積小、芯片化、功耗低、高集成度化和高可靠性的北斗一代一體化模塊終端解決方案。該設計方案是基于北京廣嘉電子設計的北斗一代射頻芯片BG-DB-2416CX和上海復控復華基帶芯片“領(lǐng)航一號”的北斗一代終端整合設計，包括了低噪放大器和功率放大器部分，解決了北斗終端設備的尺寸、功耗、特性及價(jià)格等諸多設計挑戰。

廣嘉北斗一體化方案總體設計

廣嘉北斗一體化模塊方案由基帶芯片“領(lǐng)航一號”、射頻芯片“BG-DB-2416CX”、低噪放大器和功率放大器組成(圖1)，主要實(shí)現的功能是通過(guò)配置外設在北斗系統中心站的支持下完成定位和通信任務(wù)，同時(shí)兼有授時(shí)功能。模塊通過(guò)配置的接收天線(xiàn)將收到的北斗衛星信號送入40dB的低噪放大器放大，然后送入射頻芯片BG-DB-2416CX進(jìn)行下變頻處理轉換成中頻信號，再經(jīng)過(guò)片內A/D量化后輸出送入基帶芯片?；鶐酒M(jìn)行信號解密及脫格式處理，用戶(hù)返回給用戶(hù)中心站的信息按規定格式形成入站格式，并經(jīng)加密、編碼、擴頻后形成待發(fā)數據。發(fā)射信號通過(guò)功率放大器放大后，由發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射出去。模塊的應用控制通過(guò)控制接口外接配置來(lái)實(shí)現。圖2是該北斗一體化方案的原理示意圖。

圖1：廣嘉電子北斗一體化模塊效果圖。

圖2：廣嘉電子北斗一體化方案原理示意圖。

1．射頻部分

射頻芯片采用北京廣嘉創(chuàng )業(yè)電子自主研發(fā)的BG-DB-2416CX射頻芯片(北斗一代接收/發(fā)射芯片)。它僅需少量的外部元件就可實(shí)現北斗一代射頻信號的接收和發(fā)射功能。該芯片集成了接收通道和發(fā)射通道，以及接收發(fā)射頻率綜合器，接收通道采用兩次變頻結構，首先把射頻信號下變頻到第一中頻，然后再通過(guò)正交混頻器產(chǎn)生最終的正交中頻信號12.24MHZ。發(fā)射通道采用直接調制結構，可直接處理TTL電平輸入信號，并將其調制到所需的載波頻率上，從而完成發(fā)射功能。

A、接收部分

天線(xiàn)接收的射頻信號(≥-127dBm)通過(guò)片外配置的低噪聲放大器LNA(≥30db)放大，使之符合芯片RX IN引腳的信號電平范圍-100~-50dBm的射頻信號。片內前端由低噪放和混頻器組成，放大射頻輸入信號下變頻到第一中頻信號213.17MHZ。此時(shí)，外接中頻濾波器濾掉帶外干擾信號和來(lái)至中頻信號的鏡像信號，通常采用SAW和LC濾波器。第二級變頻將213.17MHZ的中頻信號變?yōu)?2.24MHZ , 通過(guò)ADC轉換為量化信號。通過(guò)可變增益放大器VGA和低通濾波器LPF 完成1dB 步進(jìn)增益控制。片內接收含有三級放大、兩次變頻、濾波，其輸出為幅度為4dBm±2dBm的12.24MHZ中頻信號。芯片內三級放大增益范圍為41~113 dB，增益可調。然后信號被AD進(jìn)行量化處理后送入基帶處理單元。中頻輸出信號強調增益穩定性，以滿(mǎn)足AD器件的量化等級控制、輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍要求并抑制脈沖干擾。

B、發(fā)射部分

芯片將LVTTL輸入碼流首先轉成差分模擬信號，采用混頻器將基帶信號直接調制到雙帶射頻RF信號，混頻器后采用8ｄＢ增益范圍的射頻衰減器(ATT)調整射頻信號，然后通過(guò)預功放電路用以驅動(dòng)外置功放PA,使芯片輸出的1615.68MHZ信號幅度在5.8~13.8ｄＢm。

在芯片中由于收、發(fā)的信號均為高速率調制的數字信號，因此對頻綜的相位噪聲有嚴格的要求。本振頻率的準確度和穩定度直接影響解調終端接收門(mén)限和誤碼率。在發(fā)射電路中，對載波頻率的要求為5×10－7，對應的發(fā)射載波頻偏分別為±0.81kHz。為滿(mǎn)足頻綜的相噪要求，除選用低相噪參考晶振外，減小鎖相環(huán)分頻比、合理設計了關(guān)鍵環(huán)路濾波參數。

C、低噪放/功放

一體化模塊中采用高增益、低噪聲、超小型低噪放。低噪放對發(fā)射頻率點(diǎn)的接頻點(diǎn)抑制度達到110 dBc，因此帶有窄帶濾波器，濾波帶寬≥±10MHz，只有達到此指標，才能有效防止發(fā)射信號串入接收通道。低噪放前端采用濾波器，防止發(fā)射頻率的發(fā)射功率串入接收放大器中導致阻塞。采用一級場(chǎng)放和兩級單片放大器，場(chǎng)放采用ATF-FET,在2.5GHZ、工作電流10mA下，完全能滿(mǎn)足要求，單片放大器采用MAX單片放大器工作電流7mA左右，噪聲系數小于2.5 dB，兩級單片放大器滿(mǎn)足較大的增益余量。國外進(jìn)口的陶瓷濾波器是專(zhuān)為該頻段設計的，其主要參數指標如下：中心頻率fo、帶寬±50MHz，常溫下的插損2.5dB，對發(fā)射頻率點(diǎn)的衰減≥50dB。在電路設計中，為了確保在整個(gè)工作溫度范圍內滿(mǎn)足任務(wù)指標要求，濾波器的最大插損假設為3.5dB。

圖3：一體化模塊功放采用進(jìn)口功放管自行設計的AB類(lèi)10W功放。

基帶部分

基帶部分采用北斗一代基帶芯片。該芯片集成了10個(gè)獨立的數字接收通道和一個(gè)發(fā)射通道，可完成北斗衛星基帶信號的接收處理和發(fā)射基帶信號的生成?；鶐幚硇酒捎肅MOS 0.18um工藝，內嵌一個(gè)16位定點(diǎn)數字信號處理器作為處理引擎，具有豐富的接口資源，可以通過(guò)多種接口跟上位機進(jìn)行交互，方便擴展應用。其外設包括一個(gè)支持六個(gè)獨立通信上下文的DMA、SPI 接口、兩個(gè)通用串行接口，此外還包括兩個(gè)通用定時(shí)器、8 個(gè)通用輸入輸出口、鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器。

圖4：北斗一代“領(lǐng)航一號”基帶芯片的結構方框圖。

3、外設接口及功能

此接口采用30(2*15) Pin 插針輸出。接收通道輸入：SMA。發(fā)射通道輸出：SMA。電源：3.6～4.2V。外設接口定義如下表。

外設接口定義。

本文小結

對于那些目前仍然還采用分立器件或者多芯片來(lái)實(shí)現北斗導航終端射頻和數字設計的工程師們來(lái)說(shuō)，廣嘉電子推出的業(yè)界首款全集成北斗收發(fā)射通道和基帶所有功能的北斗一體化終端方案，解決了所有公司及設計工程師面臨的設計難題。該一體化模塊方案集成了低噪聲放大器、功率放大器、上下變頻通道(BG-DB-2416CX)和基帶部分的功能，非常適合于那些技術(shù)實(shí)力不強或者節約研發(fā)成本的公司進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)應用。該方案適合于北斗系統終端各種機型，如車(chē)載、艦載、指揮監控型、手持、授時(shí)等機型。

供稿：北京廣嘉創(chuàng )業(yè)電子技術(shù)有限公司