專利名稱：一種多模多頻全球導航衛星系統接收機射頻前端裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于衛星導航領域，特別涉及一種多模多頻全球導航衛星系統接收機射頻前端裝置。
背景技術：
全球導航衛星系統(GlobalNavigation Satellite System,GNSS)是一種星基無線電導航系統，最初主要是指美國的全球定位系統(Global Positioning System,GPS)。然而，近年來隨著歐洲伽利略、中國北斗系統的迅速發展及其俄羅斯格洛納斯系統的恢復重建，衛星導航正在從GPS時代向GNSS時代轉變，逐步形成了 GPS與伽利略、格洛納斯和北斗四大系統并存的局面。隨著GNSS技術的快速發展和應用需求的不斷提高，同時利用多系統信號進行組合定位的多模GNSS系統表現出了極大的優勢，四大系統之間的兼容和互操作技術迅速成為導航領域的研究和應用熱點。然而，四大衛星導航系統均有各自不同的信號頻段和帶寬，而每個頻段的信號都需要相應的射頻前端裝置將信號下混頻到合適的中頻才能進行數字處理，因此多模GNSS接收機必須要有多模射頻前端的支持。由于體積過大、電路實現復雜等技術原因，現有的多模接收機大都采用固定的雙模射頻前端設計，即僅利用四大系統中的某兩個系統進行定位，這在某種程度上減弱了接收機處理更多信號的可能性，并且固定的射頻頻段和帶寬不利于系統模式的更改和調整。
發明內容
針對現有技 術存在的上述不足，本發明提供了一種多模多頻全球導航衛星系統接收機射頻前端裝置，該裝置通過配置靈活選擇模式和頻點，可同時兼容GNSS四大衛星導航系統中11個頻段的信號。為了解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案:
一種多模多頻全球導航衛星系統接收機射頻前端裝置，包括依次相連的低噪聲放大器、功分器和多路射頻信號處理電路，所述的多路射頻信號處理電路中的各路射頻信號處理電路均由依次相連的第一射頻開關、射頻濾波器組、第二射頻開關、射頻放大模塊、下混頻模塊、中頻濾波模塊、中頻放大模塊和自動增益控制單元構成，功分器輸出的多路信號分別輸入對應的多路射頻信號處理電路，所述的下混頻模塊包括相互連接的下混頻器和本振發生模塊，控制單元與各路射頻信號處理電路中的第一射頻開關、第二射頻開關和下混頻模塊中的本振發生模塊相連。上述功分器為四功分器，且，上述多路射頻信號處理電路為四路射頻信號處理電路。本發明中，根據GNSS信號帶寬，經過四功分器的GNSS信號被分為四路信號，北斗系統BI波段信號、GPS的LI波段信號、GPS的L2波段信號劃入第一路信號；格洛納斯系統LI和L2波段信號劃入第二路信號；北斗系統B2和B3波段信號、GPS的L3波段信號劃入第三路信號；伽利略系統E5、L1、和E6波段信號劃入第四路信號；所述的第一、二、三、四路信號分別對應輸入第一、二、三、四路射頻信號處理電路。上述第一路射頻信號處理電路中，第一和第二射頻開關均為三選一射頻開關，射頻濾波器組包括分別通過北斗系統BI波段信號、GPS的LI波段信號、GPS的L2波段信號的射頻濾波器，中頻濾波器的中頻帶寬為4.092MHz ο上述第二路射頻信號處理電路中，第一和第二射頻開關均為二選一射頻開關，射頻濾波器組包括分別通過格洛納斯系統LI和L2波段信號的射頻濾波器，中頻濾波器的中頻帶寬為13.5MHz ο 上述第三路射頻信號處理電路中，第一和第二射頻開關均為三選一射頻開關，射頻濾波器組包括分別通過北斗系統B2波段信號、北斗系統B3波段信號、GPS的L3波段信號的射頻濾波器，中頻濾波器的中頻帶寬為24MHz。上述第四路射頻信號處理電路中，第一和第二射頻開關均為三選一射頻開關，射頻濾波器組包括分別通過伽利略系統E5、L1、和E6波段信號的射頻濾波器，中頻濾波器的中頻帶寬為51MHz。上述本振發生模塊包括相互連接的本振發生器和時鐘模塊，多路本振發生器共用一個時鐘模塊。所述的時鐘模塊包括內部時鐘模塊和外部時鐘模塊，通過單刀雙擲開關選擇本振發生器連接內部時鐘模塊或外部時鐘模塊。
與現有技術相比，本發明具有以下的有益效果:
I)本發明能同時兼容GNSS四大衛星導航系統中的11頻段射頻信號，使得GNSS接收機能處理更多GNSS信號，實現了在同一模塊中采集或者處理GPS、格洛納斯、伽利略和北斗四大系統衛星導航系統中頻信號的功能，有利于系統模式的更改和調整。2)本發明基于11頻段GNSS信號的帶寬將11頻段信號劃分為四路，各路信號時分共用射頻放大模塊、下混頻模塊、中頻濾波模塊、中頻放大模塊和自動增益控制單元，減少了射頻信號處理電路的數量，降低系統功耗，縮小了體積。3)本發明中的多路射頻信號處理電路可以同時輸出處理后的GNSS中頻信號，但各路射頻信號處理電路可以數字選擇輸出進入該電路中的多頻段信號中的一種，從而實現數字控制四模11頻點中任意組合頻點的中頻輸出；
4)本發明具有體積小、功耗小、集成度高、兼容性強、接收信噪比高等特點。5)控制單元和時鐘模塊共同控制四路本振發生器分時產生對應11頻段射頻信號的11路本振,極大地減少了本振的數量。
圖1為本發明具體實施的整體結構框 圖2為圖1中第一路射頻信號處理電路的結構框 圖3為本具體實施中本振發生模塊的結構框 圖4為本具體實施中時鐘模塊的結構框圖； 圖5為控制命令的幀格式。
具體實施例方式下面將結合附圖詳細說明本發明的具體實施。圖1為本具體實施的結構框圖，設有四路通道，包括四路射頻信號處理電路，GNSS接收機接收的衛星信號經低噪聲放大器(Low Noise Amplifier, LNA)后送入四路功分器，信號功分成四份相同信號后分別進入各射頻信號處理電路，各路射頻信號處理電路的電路結構及原理均相同。本發明根據11頻段GNSS衛星信號的帶寬將其劃分為四路信號。北斗系統BI波段信號、GPS的LI波段信號和GPS的L2波段信號的帶寬分別為2.046MHz、2.046MHz、
4.092MHz,上述三類信號帶寬相近，因此將北斗系統BI波段信號、GPS的LI波段信號和GPS的L2波段信號劃入第一路信號，采用第一路射頻信號處理電路對第一路信號進行處理。格洛納斯系統LI波段信號和格洛納斯系統L2波段信號帶寬分別為13.5MHz、10.5MHz，將格洛納斯系統LI波段信號和L2波段信劃入第二路信，采用第二路射頻信號處理電路對第二路信號進行處理。北斗系統B2波段信號、北斗系統B3波段信號、GPS的L3波段信號帶寬分別為24MHz、24MHz、20MHz，將北斗系統B2和B3波段信號、GPS的L3波段信號劃入第三路信號，采用第三路射頻信號處理電路對第三路信號進行處理。伽利略系統的E5波段信號、LI波段信號和E6波段信號帶寬分別為50ΜΗΖ、32ΜΗζ、40ΜΗζ，將伽利略系統的Ε5波段信號、LI波段信號和Ε6波段信號劃入第四路信號，采用第四路射頻信號處理電路對第四路信號進行處理。射頻信號處理電路中設置有射頻濾波器組，射頻濾波器組包括與各路信號中各頻段信號對應的射頻濾波器。例如，本具體實施中采用第一路射頻信號處理電路對第一路信號進行處理，則第一路射頻信號處理電路中的射頻濾波器組包括可通過第一路信號中各頻段信號的射頻帶通濾波器，即可通過北斗系統BI波段信號、GPS的LI波段信號和GPS的L2波段信號的射頻帶通濾波器。控制單元通過控制射頻信號處理電路中的第一和第二射頻開關來選擇射頻濾波器組中的不同射頻濾波器，從而使得與該導通射頻濾波器對應的信號得以通過，其他信號均被濾掉。圖2為圖1中第一路射頻信號處理電路的原理圖，由于各路射頻信號處理電路結構及原理相同，下面將僅對第一路射頻信號處理電路做詳細說明。衛星信號經四路功分器功分為相同的四路信號，其中一路進入第一路射頻信號處理電路，控制單元(MicroControl Unit,MCU)控制第一射頻開關的相應管腳控制信號選擇射頻濾波器組4中的一個射頻濾波器，第二射頻開關與第一射頻開關的選擇通道相對應，從而使得與所選擇的射頻濾波器對應的信號進入該通道。例如，第一射頻開關選擇將經功分器輸出的GNSS信號輸入可通過北斗系統BI波段信號的射頻濾波器，則第二射頻開關選擇北斗系統BI波段信號的射頻濾波器的輸出作為其輸入，這樣，北斗系統BI波段信號可進入射頻放大模塊，其他信號均被濾掉。第一路射頻信號處理電路中設置了可通過北斗系統BI波段信號、GPS的LI波段信號和GPS的L2波段信號的射頻濾波器，則僅北斗系統BI波段信號、GPS的LI波段信號和GPS的L2波段信號可進入第一路射頻信號處理電路進行處理，其他頻段信號均被濾掉。本具體實施中的射頻濾波器為聲表面射頻帶通濾波器(Band-Pass Filter，BPF)。
假設在第一路射頻信號處理電路中，控制單元控制射頻開關選擇了北斗BI濾波器，則北斗系統BI波段信號可通過該濾波器，該濾波器輸出的高頻衛星信號輸入到第二射頻開關5。從第二射頻開關5輸出的高頻衛星信號進入射頻放大器6進行信號放大，放大后的衛星信號輸入到下混頻器11混頻得到頻率較低的中頻信號。下混頻器11的本振發生器在MCU的控制下產生與各衛星信號頻段對應的頻點，本發明具體實施中各本振發生器產生的本振頻率見表I。從下混頻器11輸出的中頻信號輸入到中頻濾波器7以濾除無用的干擾信號后，輸入到中頻放大器8以放大下變頻的中頻信號，然后進入自動增益控制(AGC)單元9，最后輸出幅度適當的適于數字處理的中頻衛星信號10。圖3為本振發生模塊的結構框圖，本振產生模塊主要包括本振發生器和時鐘模塊，時鐘模塊包括內部時鐘模塊或外部時鐘模塊，通過單刀雙擲開關選擇本振發生器連接內部時鐘模塊或外部時鐘模塊。本發明設有四個本振發生器，分別針對四路射頻信號處理電路提供本振信號。四個本振發生器共用時鐘模塊，本具體實施中采用的時鐘芯片為10MHZ晶振，采用的本振發生器型號為SI4133。該10MHZ晶振既可以是本發明內置時鐘供給，也可以是外部時鐘提供，見圖4。上述射頻前端裝置的工作過程:當MCU接收到外部指令后，對指令進行解析，并發出指令切換命令來控制射頻濾波器輸入前和輸出后的射頻開關，以選擇相應的射頻濾波器；同時控制本振發生器產生與各衛星信號相應的本振。圖4為時鐘模塊的具體實施，采用了雙時鐘設計。當系統外部沒有時鐘供給時，通過撥動單刀雙擲開關sw，使開關I腳和2腳相接，系統內部IOM時鐘信號同時供給內部系統和外部IOM時鐘接口，外部可將該時鐘信號輸出作為同步時鐘，減小時鐘漂移。當外部有時鐘輸入時，通過撥動開關sw，使開關2腳和3腳相接，3腳懸空，此時將外部時鐘作為系統的參考時鐘。在外部參考時鐘輸入時，撥動開關sw，使開關I腳和2腳相接時，由于內部的IOM時鐘有歐姆緩沖電阻，可保證電路正常工作。本具體實施中采用工作頻率為lGHz-2GHz的低噪聲放大器來放大接收的微弱衛星信號，然后經四路功分器將衛星信號分為相同的四路信號。進入射頻信號處理電路的信號均經一次射頻放大、一次下混頻后產生中頻信號，下混頻時，MCU控制本振發生器輸出各信號所需本振頻率。第一路射頻信號處理電路中，混頻后的中頻信號通過中頻為100M、帶寬為4.092MHz的中頻濾波器放大，然后通過AGC芯片輸入到MCU進行后處理，第二 四路通道中，混頻后的中頻信號通過的中頻濾波器均為100M，但中頻帶寬分別為14MHz、24MHz、5IMHz ο本發明接收機射頻前端裝置上電時系統有默認的GNSS通道輸出，外部MCU通過外部接口與控制單元通信，向控制單元發送控制命令，所發送的控制命令幀格式見圖5，每幀控制字為6byte，包含幀頭、幀尾、控制位、糾錯位。其中幀頭、幀尾分別2byte，作為幀同步信號；控制位占lbyte，8bit分別對應通道選擇、開關選擇、本振選擇；糾錯位是防止誤操作命令。本發明控制單元提取接收的命令幀中的控制字，并根據控制字解析指令，從而進行第一和第二射頻開關的選擇和本振頻點改變，來達到相應GNSS頻點的中頻輸出。見圖5，本具體實施中，本發明控制單元根據控制字的O、I位來控制產生的本振在哪路射頻信號處理電路，根據控制字的2、3位控制射頻開關從而選擇導通相應的射頻濾波器；根據控制字的4、5位控制產生相應頻率的本振。本具體實施中的本振頻點的選擇基于如下原則:
1)本振頻點在中心頻率的±100MHz，所述的中心頻率為GNSS信號的工作頻帶的中間
值；
2)本振屬于強干擾，本振的頻點需遠離有用信號的頻帶；
3)本振與本振混頻產生的中頻信號需遠離中頻濾波器通帶。基于上述原則，本具體實施中，各GNSS信號的11個頻段信號對應的的本振頻率見表1，該表中的中頻頻率為GNSS信號經射頻信號處理電路處理后輸出的中頻信號的頻率。表I GNSS信號工作頻率及本振頻率選擇
權利要求
1.一種多模多頻全球導航衛星系統接收機射頻前端裝置，其特征在于: 包括依次相連的低噪聲放大器、功分器和多路射頻信號處理電路，所述的多路射頻信號處理電路中的各路射頻信號處理電路均由依次相連的第一射頻開關、射頻濾波器組、第二射頻開關、射頻放大模塊、下混頻模塊、中頻濾波模塊、中頻放大模塊和自動增益控制單元構成，功分器輸出的多路信號分別輸入對應的多路射頻信號處理電路，所述的下混頻模塊包相互連接的下混頻器和本振發生模塊，控制單元與各路射頻信號處理電路中的第一射頻開關、第二射頻開關和下混頻模塊中的本振發生模塊相連。
2.如權利要求1所述的多模多頻全球導航衛星系統接收機射頻前端裝置，其特征在于: 所述的功分器為四功分器，且，所述的多路射頻信號處理電路為四路射頻信號處理電路。
3.如權利要求2所述的多模多頻全球導航衛星系統接收機射頻前端裝置，其特征在于: 根據GNSS信號的帶寬，依次經過低噪聲放大器、四功分器的GNSS信號被分為四路信號，北斗系統BI波段信號、GPS的LI波段信號、GPS的L2波段信號劃入第一路信號；格洛納斯系統LI和L2波段信號劃入第二路信號；北斗系統B2和B3波段信號、GPS的L3波段信號劃入第三路信號；伽利略系統E5、L1、和E6波段信號劃入第四路信號；所述的第一、二、三、四路信號分別對應輸入第一、二、三、四路射頻信號處理電路。
4.如權利要求1或 3所述的多模多頻全球導航衛星系統接收機射頻前端裝置，其特征在于: 所述的第一路射頻信號處理電路中，第一和第二射頻開關均為三選一射頻開關，射頻濾波器組包括分別通過北斗系統BI波段信號、GPS的LI波段信號、GPS的L2波段信號的射頻濾波器，中頻濾波器的中頻為100MHz、帶寬為4.092MHz ； 所述的第二路射頻信號處理電路中，第一和第二射頻開關均為二選一射頻開關，射頻濾波器組包括分別通過格洛納斯系統LI和L2波段信號的射頻濾波器，中頻濾波器的中頻為 IOOMHz、帶寬為 13.5MHz ； 所述的第三路射頻信號處理電路中，第一和第二射頻開關均為三選一射頻開關，射頻濾波器組包括分別通過北斗系統B2波段信號、北斗系統B3波段信號、GPS的L3波段信號的射頻濾波器，中頻濾波器的中頻為100MHz、帶寬為24MHz ； 所述的第四路射頻信號處理電路中，第一和第二射頻開關均為三選一射頻開關，射頻濾波器組包括分別通過伽利略系統E5、L1、和E6波段信號的射頻濾波器，中頻濾波器的中頻為100MHz、帶寬為51MHz。
5.如權利要求4所述的多模多頻全球導航衛星系統接收機射頻前端裝置，其特征在于: 所述的射頻濾波器均為聲表面射頻帶通濾波器。
6.如權利要求1所述的多模多頻全球導航衛星系統接收機射頻前端裝置，其特征在于: 所述的本振發生模塊包括相互連接的本振發生器和時鐘模塊，多路本振發生器共用一個時鐘模塊。
7.如權利要求6所述的多模多頻全球導航衛星系統接收機射頻前端裝置，其特征在于: 所述的時鐘模塊包括內部時鐘模塊和外部時鐘模塊，通過單刀雙擲開關選擇本振發生器連接內部時鐘模塊或外部時 鐘模塊。
全文摘要
本發明公開一種多模多頻全球導航衛星系統接收機射頻前端裝置，包括依次相連的低噪聲放大器、功分器和多路射頻信號處理電路，射頻信號處理電路均由依次相連的第一射頻開關、射頻濾波器組、第二射頻開關、射頻放大模塊、下混頻模塊、中頻濾波模塊、中頻放大模塊和自動增益控制單元構成，下混頻模塊包括相互連接的下混頻器和本振發生模塊，控制單元與各路射頻信號處理電路中的第一射頻開關、第二射頻開關和下混頻模塊中的本振發生模塊相連。本發明通過數字控制方式能靈活選擇四模11頻段中多種組合頻段的中頻輸出，從而實現了在同一模塊中采集或者處理GPS、格洛納斯、伽利略和北斗四大系統衛星導航系統中頻信號的功能。
文檔編號H04B1/40GK103117767SQ201310013660
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月15日 優先權日2013年1月15日
發明者郭文飛, 鄭建生, 孫健興, 朱玉建 申請人:武漢大學