GNSS衛星導航射頻前端芯片

新部署的導航衛星系統(GNSS)，例如，歐洲Galileo和中國北斗2(曾叫指南針)以及更新的GLONASS導航衛星系統，正在推動(dòng)業(yè)界研發(fā)新型定位接收器。新型接收器至少能夠處理L1波段的所有信號(大約1550-1610MHz)，既包括共用同一GPS C/A L1載波頻率的衛星信號，即二進(jìn)制偏移載波(BOC)的調制信號，例如， Galileo E1 Open Service (OS)，也包括采用不同載波頻率的信號，例如，中心頻率略高(大約1550-1610 MHz)的基于FDMA的GLONASS信號或者以1561.098MHz為中心頻率的中國現有的北斗2 Open Service B1I信號。

定位接收器能夠接收兩個(gè)或更多不同導航衛星系統發(fā)射的信號有諸多好處，例如，系統穩健，搜到的衛星數量多，幾何精度系數高，在高樓林立城區等信號較弱的環(huán)境 內有更出色的定位性能和更高的定位精度，這是因為如果處理得當，BOC調制信號可取得比GPS C/A代碼更高的調諧精度和更高的多通道抑制比。

為處理所有這些信號，GNSS接收機對帶寬、線(xiàn)性和抗干擾性能的要求比傳統的消費類(lèi)GPS接收機更高。這些要求對FE (射頻前端)設計人員提出了新的挑戰。最后，為了能夠集成在多個(gè)平臺內，射頻前端必須符合不同頻帶，特別是通信和遠程信息處理系統最常用頻帶的要求。

本文介紹一個(gè)采用65nm CMOS制造工藝的低功耗的GPS/Galileo L1/E1 OS、GLONASS和北斗2-B1I射頻前端芯片。對于Galileo系統，考慮到中頻濾波器的帶寬僅比4MHz略高，根據大眾市場(chǎng)產(chǎn)品(消費電子產(chǎn)品 和汽車(chē))的性能要求，我們決定只支持OS Composite-BOC信號中的BOC(1,1)調制信號。

該射頻前端可在幾個(gè)不同的基本功能之間切換：僅GPS模式(窄帶中頻，大約2 MHz)、GPS/Galileo 模式(寬帶中頻，大約4 MHz)、僅GLONASS模式、GPS/GLONASS模式、GPS/Galileo/GLONASS (G3)模式、僅北斗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信號強度有所降低，其中部分原因是在相關(guān)中頻濾波器內兩個(gè)信號重疊)。

我們將默認外部參考頻率設定為26 MHz。但是該芯片有一個(gè)可編程頻率合成器，通過(guò)串行外設接口SPI提供的正確設置，我們可以將常用TCXO (溫補晶振)頻率中的大部分頻率設為參考頻率。

射頻前端概述和系統架構

表1列出了這個(gè)L1/E1/G1/B1射頻前端設計的規格目標，圖1是接收器的簡(jiǎn)明框圖。對于GPS/Galileo信號，接收器采用低中頻的單下變頻架構，中頻頻率為4 f0 (f0=1.023 MHz)。

表1： GPS/GALILEO/GLONASS L1/E1前端參數規格

表2：支持的部分TCXO頻率和分頻數值

對于GLONASS信號，接收器采用低中頻的雙下變頻架構，并與GPS/Galileo通道共用第1下變頻混頻器，最終中頻約為8.566MHz。對于現在 的北斗2 B1I信號，系統架構是單下變頻，在第一混頻器后，利用1571.328MHz本振頻率取得大約10 f0鏡像信號。下變頻頻率方案如圖2所示。所需的頻率全都由一個(gè)全嵌入式鎖相環(huán)生成，所有處理信號的采樣頻率為64 f0。

圖1： GPS/GALILEO/GLONASS/BEIDOU2 L1/E1/G1/B1I 射頻前端接收器原理簡(jiǎn)圖

圖2：頻率方案：GPS/GAL、北斗2和GLONASS首次變頻后的頻帶(a)；當鏈路配置成接收GLONSS信號時(shí)，同一帶寬在第二鏈路多相濾波和二次變頻后的分布情況 (b)。

本產(chǎn)品將LNA (低噪放大器)和RFA直接相連，構成兩級LNA架構，這樣設計的優(yōu)點(diǎn)是節省兩個(gè)外部引腳，無(wú)需網(wǎng)絡(luò )匹配；第1個(gè)LNA級的工作電流被降低(節省約 3mA)，同時(shí)增益和噪聲系數與前代產(chǎn)品所列架構幾乎相同。不過(guò)，這種設計也有缺點(diǎn)，在通道分離度和帶外抑制比方面，兩級設計的靈活性有所欠缺。

來(lái)自天線(xiàn)和外部預選濾波器的GNSS信號被該芯片內部的兩級LNA放大。要想取得最好的增益與噪聲系數比，需要進(jìn)行外部輸入匹配和直流去耦。為了取 得良好的隔離特性和低功耗，每級電路都基于共源共柵單端配置。取得LNA目標性能所需的低衰減電感只能通過(guò)引線(xiàn)鍵合來(lái)實(shí)現。LNA輸出內部隔離直流，直接 連接第一個(gè)混頻器，利用正交本振輸入頻率，使中頻濾波器的鏡像抑制比(IRR)高于20dB。LNA和混頻器部分的良好線(xiàn)性保證信號不受GNSS信號附近 的射頻隔離器的影響，準許在射頻模擬前端前面連接低質(zhì)量的外部預選濾波器。

中頻信號進(jìn)入兩個(gè)中頻信號鏈路，如圖1所示。第1 個(gè)鏈路用于接收GPS/Galileo信號，連接一個(gè)復雜的中頻帶通濾波器，中心頻率為4 f0，僅GPS配置時(shí)，1dB帶寬為2MHz；當配置成Galileo時(shí)，帶寬增至4MHz。在中頻濾波器后是有自動(dòng)增益控制功能的VGA(可變增益放大 器)和ADC模塊。

第二個(gè)中頻鏈路可配置成接收北斗B1I或GLONASS信號，或者根據所選數據位能夠同時(shí)接收北斗2 B1I和GLONASS信號。多相濾波器后面跟一個(gè)第二混頻器和一個(gè)復雜的北斗2 B1I/GLONASS中頻濾波器，該濾波器經(jīng)過(guò)重新設計，可降低功耗和電路尺寸，優(yōu)化濾波性能。北斗2 B1信號通過(guò)一個(gè)移相器繞過(guò)多相濾波器和第二混頻器，送入復雜的北斗2 B1I/GLONASS中頻濾波器。不論是哪一種情況，GLONASS/BeiDou2中頻濾波器輸出信號都是送到VGA和3位ADC，最后再送到基帶處理器。

值得注意的是，兩個(gè)信號鏈路上的AGC 和ADC模塊共用同一配置，對于帶寬更大的GLONASS信號，對配置稍做修改即可。

圖3：頻率合成器框圖

圖4:射頻前端布局

結論

本文介紹了一個(gè)采用CMOS 65nm技術(shù)制造的基于低中頻濾波器的低功耗L1/E1/G1/B1 GPS/Galileo/GLONASS/北斗2導航衛星系統模擬射頻前端，支持多數最常用的TCXO頻率。該產(chǎn)品個(gè)有很高的集成度，從而能夠低材料成 本，同時(shí)為客戶(hù)保留了設計活性(多個(gè)前端參數可通過(guò)SPI總線(xiàn)設置)，當芯片全力工作時(shí)，即GPS/Galileo和GLONASS/北斗2兩個(gè)鏈路都運 行時(shí)，在1.2V電源電壓下，功耗大約23mW(在GPS/Galileo模式下17.4mW)。這款射頻前端可以在同一顆芯片上集成性能略加修改的基帶 接收器，例如，STA8089/STA8090 Teseo III（但是需要采用55nm制造工藝）。