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GNSS卫星导航射频前端芯片解析
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2017-11-14
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新部署的导航卫星系统（GNSS），例如，欧洲Galileo和中国北斗2（曾叫指南针）以及更新的GLONASS导航卫星系统，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北斗2 Open Service B1I信号。
定位接收器能够接收两个或更多不同导航卫星系统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 （射频前端）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，射频前端必须符合不同频带，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和北斗2-B1I射频前端芯片。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。
定位接收器能够接收两个或更多不同导航卫星系统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 （射频前端）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，射频前端必须符合不同频带，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和北斗2-B1I射频前端芯片。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。
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