GNSS卫星导航射频前端芯片

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。

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）。