專利名稱：北斗rdss衛星導航系統的射頻接收機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種射頻接收電路，具體的說是一種北斗RDSS衛星導航系統射頻接收機的芯片電路設計。
背景技術：
隨著我國北斗衛星導航實驗系統的運行，目前全球衛星導航系統的發展正逐步形成了四方鼎力的格局，分別為美國的GPS，俄羅斯的GL0NASS，歐盟的GALILEO系統和中國的北斗系統。北斗衛星導航系統是中國自主建設，獨立運行，并與世界其他衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航系統，其創建與發展徹底打破了西方國家在全球衛星導航技術方面的壟斷，對我國乃至世界在經濟，政治，及軍事方面具有重大而深遠的意義。北斗系 統可在全球范圍內全天候，全天時為各類用戶提供高精度，高可靠的定位，導航，授時服務，并兼具短報文通信能力。北斗衛星導航系統由空間端、地面端和用戶端三部分組成。空間端包括5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星。地面端包括主控站、注入站和監測站等若干個地面站。用戶端由北斗用戶終端以及與美國GPS、俄羅斯“格洛納斯”(GL0NASS)、歐洲“伽利略”(GALILEO)等其他衛星導航系統兼容的終端組成。從2000年實驗系統建成以來，北斗衛星導航系統已經發射了 10顆衛星，建成了基本系統，計劃在2020年左右，北斗衛星導航系統形成全球覆蓋能力。因此，作為北斗RDSS衛星導航系統重要組件的射頻接收機技術的發展，將對北斗系統產生至關重要的影響。當前，北斗終端的射頻模塊大多采用分離器件設計而成，導致系統調試困難，產品體積龐大，極不利于攜帶，功耗高，成本高。同時，部分關鍵芯片依賴于國外進口，關健技術仍受國外左右。所有這些因素都不利于北斗系統的自主發展和普及。目前的北斗RDSS接收機多是采用一次變頻結構，導致鏡像抑制性能差，即使有些接收機采用兩次變頻結構，但是是由兩個頻率合成器，即是由兩個不同頻段的壓控振蕩器和單獨的鎖相環環路部分分別提供兩級本振信號，而且為后續電路提供時鐘功能的模塊也需要由接收機芯片內另外的鎖相環電路來產生，這樣就導致系統復雜，功耗高，本振信號的片上干擾嚴重。更重要的是，提供本振信號的頻率合成器采用整數分頻鎖相環結構，其在特殊頻點，分頻比較高的應用下，會降低本振信號的相位噪聲，從而降低了接收機的靈敏度和抗干擾性能。
發明內容
本技術方案所要解決的技術問題是針對以上現有技術存在的缺點，提出一種北斗RDSS衛星導航系統的射頻接收機，包括射頻信號接收鏈路，最終中頻和片外時鐘產生電路，以及本振信號發生電路，可提高北斗RDSS衛星導航系統射頻接收機的鏡像抑制性能，避免多鎖相環間的相互干擾，提高射頻接收機的靈敏度，減小功耗，減少電路數量，降低成本，使得接收機更易于芯片集成。
解決以上技術問題的技術方案如下一種北斗RDSS衛星導航系統的射頻接收機，包括射頻信號接收鏈路以及本振信號發生電路。所述本振信號發生電路包括鎖相環電路和三分頻分頻器，該三分頻分頻器連接在鎖相環電路的輸出端；所述射頻信號接收鏈路包括低噪聲放大器、兩級混頻器及對應的濾波器、可變增益放大器、自動增益控制電路、四分頻分頻器、驅動器buffer和模數轉換器；所述低噪聲放大器的輸入端接收外部射頻信號；低噪聲放大器的輸出端連接第一級混頻器的信號輸入
端；第一級混頻器的信號輸出端通過對應的濾波器連接第二級混頻器的信號輸入端；第二級混頻器的信號輸出端通過對應的濾波器后分為兩路信號輸出，一路輸出信號依次通過可變增益放大器和四分頻分頻器后作為數模轉換器的輸出信號進入模數轉換器；另一路輸出信號通過增加驅動電路后再分為兩路輸出，分別作為片外后級電路的時鐘和片內模數轉換器的采樣輸入頻率，所述第二級混頻器后的電路構成最終中頻和片外時鐘產生電路；模數轉換器的輸出端為本射頻接收機的第一輸出端，為后級電路提供信號；由驅動電路產生的頻率輸出為本射頻接收機的另一個輸出端，為后級電路提供時鐘。第一級混頻器的本振輸入端直接連接鎖相環電路的輸出端；第二級混頻器的本振輸入端連接三分頻分頻器的信號輸出端。所述鎖相環電路是小數鎖相環電路，它包括數字鑒頻鑒相器PFD、電荷泵CP、電感、低通濾波器、壓控振蕩器VC0、高頻雙模預分頻器PRESCALER和Σ-Λ小數分頻器；所述壓控振蕩器輸出的高頻信號經過高頻雙模預分頻器進行預分頻，得到可中頻處理的數字信號；該數字信號送入Σ-Λ小數分頻器，經小數分頻后得到比較時鐘信號；該比較時鐘信號與時鐘輸出電路輸入的參考時鐘信號fin作為鑒頻鑒相器的兩個輸入信號；這兩個輸入信號經鑒頻鑒相器得到它們之間的相位差信號，該相位差信號依次經過電荷泵、電感和低通濾波器得到與相位差信號對應的電壓；該電壓作為壓控振蕩器的控制電壓，來補償壓控振蕩器的相位誤差，當相位誤差小于規定值時，鎖相環路保持動態平衡的鎖定狀態，此時壓控振蕩器的輸出即為鎖相環電路的輸出信號。所述低通濾波器是由RC無源元件構成的RC無源環路濾波器。本技術方案的獨到之處包括本射頻接收機采用二次變頻結構，只用一個鎖相環電路產生第一本振信號，第二本振信號由第一本振信號進行三分頻產生。本射頻接收機可直接用二次變頻結構產生時鐘電路，用于片外后級電路的時鐘及片內電路的采樣頻率。本射頻接收機的最終中頻輸出信號由二次變頻后的信號再進行四分頻產生。本射頻接收機用于產生本振信號的鎖相環結構是內置壓控振蕩器的小數分頻鎖相環。本射頻接收機的小數分頻鎖相環電路是由數字鑒頻鑒相器PFD、電荷泵CP、一個電感、環路濾波器、壓控振蕩器VC0、高頻雙模預分頻器PRESCALER和Σ-Λ小數分頻器構成。
本射頻接收機的小數分頻鎖相環電路的電荷泵的輸出連接電感，再與由RC元件構成的環路濾波器相連。本技術方案的原理說明如下射頻輸入信號首先經過低噪聲放大器進行去噪放大，送至第一級混頻器，與第一本振信號進行差頻，降至第一中頻信號(IFl)，第一中頻信號經過帶通濾波器濾波降噪后輸入給第二級混頻器，再與第二本振信號進行差頻，產生第二中頻時鐘信號(IF2)，再分成兩路，一路通過增加驅動電路分至片外后級電路和片內模數轉換器的采樣輸入頻率，另一路通過可變增益放大器及四分頻輸出后作為信號進入模數轉器。本振信號產生電路包括數字鑒頻鑒相器PFD，電荷泵CP，電感，環路濾波器，壓控振蕩器VC0，高頻雙模預分頻器PRESCALER，和Σ - Λ小數分頻器構成的小數分頻鎖相環路。壓控振蕩器的高頻信號經過高頻雙模預分頻器的預分頻，形成可中頻處理的數字信號，送入Σ-Λ小數分頻器，經小數分頻后產生的比較時鐘信號與由晶振輸入的參考時鐘信號作為鑒頻鑒相器的兩個輸入，在鑒頻鑒相器的輸出產生相位差，再送入電荷泵，經由電感，再至RC無源濾波器，產生與相位差相應的電壓，送入壓控振蕩器，補償壓控振蕩器的相位誤差，最終當相位誤差小于一規定值時，鎖相環路保持動態平衡的鎖定狀態，此時壓控振蕩器的輸出即作為接收機的本振信號，送入變頻器。本技術方案的射頻接收機采用兩次變頻結構，兩次變頻器均采用低本振，本振信號頻率低于射頻信號頻率。第一本振信號除以3得到第二本振信號。第一本振信號采用小數分頻鎖相環結構。本技術方案的優點是本技術方案的頻率規劃巧妙,采用小數分頻鎖相環實現特殊頻點低相噪的本振信號輸出。一個鎖相環路提供兩個不同的本振信號，實現接收機兩次變頻的結構。第二本振信號由第一本振信號除以3得到。接收機兩次變頻結構只需要一個內置射頻壓控振蕩器的小數分頻鎖相環回路，以及兩個分頻器，就可產生系統所需要的時鐘頻率信號和中頻輸出信號，而無需由另外的鎖相環電路來產生時鐘信號。小數分頻鎖相環產生的本振信號與整數鎖相環相比可以大大減小其與輸入晶振的分頻比，增加了本振信號的穩定精度，改善了本振及接收機鏈路的相噪性能，從而極大程度提高了接收機的靈敏度和抗干擾能力。時鐘頻率信號也由二次變頻的結構產生，改變了以往還需增加一個鎖相環來產生時鐘電路的做法，從而為整個射頻接收機電路減少了模塊開支。因此本射頻接收機的應用避免了多個鎖相環之間的相互干擾，既優化了電路噪聲和性能，又減少了電路數量，縮小了芯片面積，降低了電路功耗和成本。
圖I是本技術方案的接收鏈路框圖。圖2是本技術方案二次變頻的本振信號架構圖。圖3是本技術方案二次變頻后的時鐘輸出圖。圖4是本技術方案二次變頻后的最終中頻輸出圖。圖5是本技術方案本振信號產生的框圖。圖6是本技術方案小數分頻鎖相環的電路框圖。圖7是本技術方案小數分頻鎖相環內電感的串聯方式框圖。
圖8是本技術方案的整體結構框圖；圖9是量化噪聲線性模型；圖IOa是同樣的量化噪聲功率在一般米樣方式下貢獻不意圖，其中，噪聲全部落在信號帶內；圖IOb是同樣的量化噪聲功率在過米樣方式下貢獻不意圖,其中，噪聲部分落在信號帶內；圖11是量化噪聲整形原理示意圖；圖12是一階Σ-Δ及噪聲分析示意圖；圖13是二階Σ-Λ及噪聲分析示意圖；圖14是輸入信號功率和信噪比的關系示意圖；圖15是頻率和功率譜密度的關系示意圖。
具體實施例方式本發明的一種北斗RDSS衛星導航系統射頻接收機，采用兩次變頻結構，首先通過射頻前端電路把射頻信號下變頻到第一中頻信號，經濾波后，第一中頻信號再下變頻到時鐘采樣頻率，這個頻率一方面通過增加驅動后作為后級電路的采樣工作頻率，一方面再進行四分頻，得到系統要求的中頻輸出信號，進入后級電路。接收機包括低噪聲放大器、兩級混頻器、濾波器，可變增益放大器，自動增益控制電路，一個四分頻的分頻器，一個驅動電路，一個模數轉換電路，同時包括產生兩級本振信號的內置射頻壓控振蕩器的小數分頻鎖相環回路和一個三分頻的分頻器電路。接收機特征在于頻率規劃合理，采用一個小數分頻鎖相環電路和一個三分頻的分頻器電路就可以實現兩級本振信號的輸出，以及直接通過二次變頻結構產生后級電路的時鐘信號，及中頻輸出信號，而無需再增加另外專門的時鐘產生電路。其優點在于兩次變頻只需要一個內置射頻壓控振蕩器的小數分頻鎖相環回路，以及兩個分頻器，就可產生系統所需要的時鐘頻率信號和中頻輸出信號。小數分頻鎖相環產生的本振信號與整數鎖相環相比可以大大減小其與輸入晶振的分頻比，增加了本振信號的穩定精度，改善了本振及接收機鏈路的相位噪聲，從而極大程度提高了接收機的靈敏度和輸出中頻的相位偏差程度。時鐘頻率信號也由二次變頻的結構產生，改變了以往還需增加一個鎖相環來產生時鐘電路的做法，從而為整個射頻接收機電路減少了模塊開支。因此本射頻接收機的應用避免了多個鎖相環之間的相互干擾，既優化了電路噪聲和性能，又減少了電路數量，縮小了芯片面積，降低了電路功耗和成本。下面結合附圖與具體實施方式
對本技術方案進一步說明如下一種北斗RDSS衛星導航系統射頻接收機，包括低噪聲放大器、兩級混頻器、可變增益放大器，濾波器，自動增益控制電路，四分頻的分頻器，驅動器，一個模數轉換器。由四分頻的分頻器、驅動器，可直接產生時鐘電路和最終中頻輸出電路，另外還包括一個產生兩級本振信號的小數分頻鎖相環，所述壓控振蕩器產生的第一本振信號傳給第一級混頻器，產生的第二本振信號傳給第二級混頻器，所述小數分頻鎖相環內置射頻壓控振蕩器，使壓控振蕩器輸出頻率鎖定在系統所需要的頻率上；射頻輸入信號首先經過低噪聲放大器進行低噪放大，由第一級混頻器與第一本振信號進行差頻，降至第一中頻信號，第一中頻信號經過帶通濾波器濾波后，再通過第二級混頻器與第二本振信號進行差頻，產生第二中頻時鐘信號，再分成兩路，一路通過增加驅動電路分至片外后級電路和片內模數轉換器的采樣輸入頻率，另一路通過可變增益放大器及四分頻輸出后作為信號進入模數轉器。產生兩級本振信號的鎖相環電路是由小數分頻鎖相環與射頻壓控振蕩器構成。小數分頻鎖相環相比與整數分頻鎖相環，可以大大降低環路分頻比，提高環路帶寬，改善本振信號的輸出相噪，優化射頻接收機的靈敏度。 兩級混頻器的變頻方式均采用低本振，本振信號頻率低于射頻信號頻率。第一本振信號除以3得到第二本振信號。本例中由圖I可見，射頻輸入信號首先經過低噪聲放大器LNA進行低噪放大，送至第一級混頻器MIXERl，與第一本振信號進行差頻，這里采用低本振，即本振信號低于射頻輸入信號，差頻后的信號即為第一中頻信號IF1，IFl經過帶通濾波器IFl BPF濾波后作為第二變頻的輸入信號送至第二級混頻器MIXER2，再與同送入MIXER2的第二本振信號進行差頻，這里仍采用低本振，然后由MIXER2輸出差頻信號，再分成兩路，一路通過增加驅動電路分至片外后級電路和片內模數轉換器的采樣輸入頻率，另一路通過可變增益放大器及四分頻輸出后作為最終中頻信號進入模數轉換器。圖中RFinput是射頻輸入信號，LOl是第一級混頻器MIXERl的本振輸入信號，IFl是第一中頻輸出信號，L02是第二級混頻器MIXER2的本振輸入信號，IF2是第二級最終中頻輸出信號。兩級混頻器的變頻均采用低本振，即LOl信號頻率低于RFinput信號頻率，L02信號頻率低于第一中頻信號IFl頻率。采用低本振的方式可以提高小數鎖相環的噪聲性能，也能節省額外的功耗。由于第一中頻信號頻率較高，該接收機的鏡像干擾信號會得到很好的抑制。由圖2可見，本射頻接收機采用二次變頻結構，由兩個本振信號作為混頻器的輸入端，第一本振信號進行三分頻得到第二本振信號。由圖3可見，可直接用二次變頻結構產生時鐘電路，用于片外后級電路的時鐘及片內電路的采樣頻率。由圖4可見，最終中頻輸出信號由二次變頻后的信號再進行四分頻產生，再作為信號送入ADC進行轉換輸出。由圖5可見，兩個本振信號由一個小數分頻鎖相環產生，第二本振信號由第一本振進行三分頻后得到。由圖6可見，小數分頻鎖相環的信號流圖為，壓控振蕩器VCO的輸出信號fout經過雙模預分頻器PRESCALER，送至Σ-Λ小數分頻器，經小數分頻后產生的比較時鐘信號與參考時鐘信號fin再經由鑒頻鑒相器PFD輸出相位差，由電荷泵CP，串聯電感，及低通濾波器LPF，轉換成電壓信號，控制VCO產生電路所需要的頻率信號。小數分頻鎖相環相比與整數分頻鎖相環，可以大大降低環路分頻比，提高環路帶寬，改善本振信號的輸出相噪，優化射頻接收機的靈敏度。由圖7可見，小數分頻鎖相環的電荷泵輸出后級串聯電感，再串聯由RC元件構成的環路濾波器。這樣可以降低由輸入頻率引起的小數雜散，更大程度優化了輸出頻率的總相位誤差。由圖8可見，本實用新型的北斗RDSS衛星導航系統射頻接收機只需要一個射頻壓控振蕩器VCO和一個小數分頻鎖相環PLL就可以實現兩次混頻，而且直接通過二次變頻的結構既可產生后續電路所需的時鐘，也可進一步產生系統所要求的最終中頻信號。這比需要兩套壓控振蕩器和兩套鎖相環，還需另外的時鐘產生電路構成的傳統北斗RDSS衛星導航系統射頻接收機節省了很多電路，既避免了多個壓控振蕩器之間的相互干擾，又減少了電路數量，大大降低了系統功耗和成本。小數分頻器的Σ-Δ模塊采用了過采樣的機理，使得信號噪聲展寬在較大的頻帶內，這樣就減小了信帶內的噪聲，同時運用多階Σ-Λ的量化噪聲整形機理可以更進一步將信帶內噪聲部分搬移至較高頻帶，再用后級的串聯電感與傳統RC低通濾波器，便可抑制掉大部分的噪聲，其中引入電感串聯電荷泵，可以消除由輸入頻率引入的雜散，包括小數低頻與高頻雜散，從而小數鎖相環的相噪得以大大改善。因而利用此本振產生電路，可以大大改善射頻接收機的信噪比，靈敏度和動態范圍等性能指標。本技術方案的Σ-Λ小數分頻器實現小數分頻具體方法如下設^為小數的平均值,⑩是由Σ-Λ小數分頻器動態產生的模序列與整數分
頻值相和產生的等于k/2n，k是小數的分子值，η是小數分頻器內累加器的位數；小數鎖相環電路的總分頻比為fout=fin(MB+k/2n)，Mb代表整數分頻值。所述Σ-Λ小數分頻器器的原理如下量化噪聲線性模型(如圖9所示)噪聲功率Pe= Δ 2/12, Λ為量化步進長度；同樣的量化噪聲功率在一般米樣及過米樣方式下的不同貢獻(如圖10 (a)和圖10(b)所示):一般采樣方式，噪聲全部落在信號帶內；過采樣方式下，噪聲部分落在信號帶內；噪聲功率譜密度:
權利要求
1.一種北斗RDSS衛星導航系統的射頻接收機，包括射頻信號接收鏈路以及本振信號發生電路，其特征是所述本振信號發生電路包括鎖相環電路和三分頻分頻器，該三分頻分頻器連接在鎖相環電路的輸出端； 所述射頻信號接收鏈路包括低噪聲放大器、兩級混頻器及對應的濾波器、可變增益放大器、自動增益控制電路、四分頻分頻器、驅動器buffer和模數轉換器；所述低噪聲放大器的輸入端接收外部射頻信號；低噪聲放大器的輸出端連接第一級混頻器的信號輸入端；第一級混頻器的信號輸出端通過對應的濾波器連接第二級混頻器的信號輸入端；第二級混頻器的信號輸出端通過對應的濾波器后分為兩路信號輸出，一路輸出信號依次通過可變增益放大器和四分頻分頻器后作為數模轉換器的輸出信號進入模數轉換器；另一路輸出信號通過增加驅動電路后再分為兩路輸出，分別作為片外后級電路的時鐘和片內模數轉換器的采樣輸入頻率； 第一級混頻器的本振輸入端直接連接鎖相環電路的輸出端；第二級混頻器的本振輸入端連接三分頻分頻器的信號輸出端。
2.根據權利要求I所述的北斗RDSS衛星導航系統的射頻接收機，其特征是所述鎖相環電路是小數鎖相環電路，它包括數字鑒頻鑒相器PFD、電荷泵CP、電感、低通濾波器、壓控振蕩器VCO、高頻雙模預分頻器PRESCALER和Σ -Δ小數￡-Z分頻器； 所述壓控振蕩器輸出的高頻信號經過高頻雙模預分頻器進行預分頻，得到可中頻處理的數字信號；該數字信號送入Σ _△小數分頻器，經小數分頻后得到比Σ-Ζ1較時鐘信號；該比較時鐘信號與時鐘輸出電路輸入的參考時鐘信號fin作為鑒頻鑒相器的兩個輸入信號；這兩個輸入信號經鑒頻鑒相器得到它們之間的相位差信號，該相位差信號依次經過電荷泵、電感和低通濾波器得到與相位差信號對應的電壓；該電壓作為壓控振蕩器的控制電壓，來補償壓控振蕩器的相位誤差，當相位誤差小于規定值時，鎖相環路保持動態平衡的鎖定狀態，此時壓控振蕩器的輸出即為鎖相環電路的輸出信號。
3.根據權利要求2所述的北斗RDSS衛星導航系統的射頻接收機，其特征是所述低通濾波器是由RC無源元件構成的RC無源環路濾波器。
全文摘要
本發明涉及一種北斗RDSS衛星導航系統射頻接收機，本接收機采用兩次變頻結構，首先通過射頻前端電路把射頻信號下變頻到第一中頻信號，經濾波后，第一中頻信號再下變頻到時鐘采樣頻率，這個頻率一方面通過增加驅動后作為后級電路的采樣工作頻率，一方面再進行四分頻，得到系統要求的中頻輸出信號，進入后級電路。接收機包括低噪聲放大器、兩級混頻器、濾波器，可變增益放大器，自動增益控制電路，一個四分頻的分頻器，一個驅動電路，一個模數轉換電路，同時包括產生兩級本振信號的內置射頻壓控振蕩器的小數分頻鎖相環回路和一個三分頻的分頻器電路。
文檔編號H04B1/10GK102882536SQ20121031079
公開日2013年1月16日 申請日期2012年8月28日 優先權日2012年8月28日
發明者葉松 申請人:葉松