北斗一體化導航模塊終端設計實現

2016-10-31 by:CAE仿真在線來源:互聯網

隨著全球四大衛星導航系統的格局形成,北斗導航系統的應用及發展前景政策逐漸明朗化,北斗導航終端設備已經從分立元件逐步向集成化和芯片化方向發展。但是,如何解決北斗終端設備體積大、成本高、功耗大和可靠性低等諸因素的限制呢?

北斗衛星導航系統從2000年發射系統衛星至今在軍民領域的廣泛應用,一直處于從研究到應用轉化過程中,現在正在從試驗應用型向業務服務型轉變。衛星應用已成為經濟建設、社會發展和政府決策的重要支撐。根據《國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》和《航天發展"十一五"規劃》的內容,將會加快形成建立以北斗衛星導航系統為核心的民用導航產業體制;促進北斗衛星導航系統的產業化應用;對于涉及國家經濟、公共安全的重要行業領域須逐步過渡到采用北斗衛星導航兼容其它衛星導航系統的服務體制,鼓勵其他行業和領域采用北斗衛星導航兼容其它衛星導航系統的服務體制;大力推動衛星導航運營業的規模化、規范化發展;鼓勵自主知識產權衛星導航接收芯片、關鍵元器件、電子地圖、用戶終端等產品的標準化和產業化。到2020年,完成應用衛星從試驗應用型向業務服務型轉變,地面設備國產化率達80%。

北京廣嘉電子作為北斗導航產業鏈中廠商中的一員,利用自身在芯片設計和北斗行業的經驗,在業界首先推出了成本低、體積小、芯片化、功耗低、高集成度化和高可靠性的北斗一代一體化模塊終端解決方案。該設計方案是基于北京廣嘉電子設計的北斗一代射頻芯片BG-DB-2416CX和上海復控復華基帶芯片“領航一號”的北斗一代終端整合設計,包括了低噪放大器和功率放大器部分,解決了北斗終端設備的尺寸、功耗、特性及價格等諸多設計挑戰。

廣嘉北斗一體化方案總體設計

廣嘉北斗一體化模塊方案由基帶芯片“領航一號”、射頻芯片“BG-DB-2416CX”、低噪放大器和功率放大器組成(圖1),主要實現的功能是通過配置外設在北斗系統中心站的支持下完成定位和通信任務,同時兼有授時功能。模塊通過配置的接收天線將收到的北斗衛星信號送入40dB的低噪放大器放大,然后送入射頻芯片BG-DB-2416CX進行下變頻處理轉換成中頻信號,再經過片內A/D量化后輸出送入基帶芯片。基帶芯片進行信號解密及脫格式處理,用戶返回給用戶中心站的信息按規定格式形成入站格式,并經加密、編碼、擴頻后形成待發數據。發射信號通過功率放大器放大后,由發射天線發射出去。模塊的應用控制通過控制接口外接配置來實現。圖2是該北斗一體化方案的原理示意圖。

圖1:廣嘉電子北斗一體化模塊效果圖。

圖2:廣嘉電子北斗一體化方案原理示意圖。

1.射頻部分

射頻芯片采用北京廣嘉創業電子自主研發的BG-DB-2416CX射頻芯片(北斗一代接收/發射芯片)。它僅需少量的外部元件就可實現北斗一代射頻信號的接收和發射功能。該芯片集成了接收通道和發射通道,以及接收發射頻率綜合器,接收通道采用兩次變頻結構,首先把射頻信號下變頻到第一中頻,然后再通過正交混頻器產生最終的正交中頻信號12.24MHZ。發射通道采用直接調制結構,可直接處理TTL電平輸入信號,并將其調制到所需的載波頻率上,從而完成發射功能。

A、接收部分

天線接收的射頻信號(≥-127dBm)通過片外配置的低噪聲放大器LNA(≥30db)放大,使之符合芯片RX IN引腳的信號電平范圍-100~-50dBm的射頻信號。片內前端由低噪放和混頻器組成,放大射頻輸入信號下變頻到第一中頻信號213.17MHZ。此時,外接中頻濾波器濾掉帶外干擾信號和來至中頻信號的鏡像信號,通常采用SAW和LC濾波器。第二級變頻將213.17MHZ的中頻信號變為12.24MHZ , 通過ADC轉換為量化信號。通過可變增益放大器VGA和低通濾波器LPF 完成1dB 步進增益控制。片內接收含有三級放大、兩次變頻、濾波,其輸出為幅度為4dBm±2dBm的12.24MHZ中頻信號。芯片內三級放大增益范圍為41~113 dB,增益可調。然后信號被A\D進行量化處理后送入基帶處理單元。中頻輸出信號強調增益穩定性,以滿足AD器件的量化等級控制、輸入信號的動態范圍要求并抑制脈沖干擾。

B、發射部分

芯片將LVTTL輸入碼流首先轉成差分模擬信號,采用混頻器將基帶信號直接調制到雙帶射頻RF信號,混頻器后采用8dB增益范圍的射頻衰減器(ATT)調整射頻信號,然后通過預功放電路用以驅動外置功放PA,使芯片輸出的1615.68MHZ信號幅度在5.8~13.8dBm。

在芯片中由于收、發的信號均為高速率調制的數字信號,因此對頻綜的相位噪聲有嚴格的要求。本振頻率的準確度和穩定度直接影響解調終端接收門限和誤碼率。在發射電路中,對載波頻率的要求為5×10-7,對應的發射載波頻偏分別為±0.81kHz。為滿足頻綜的相噪要求,除選用低相噪參考晶振外,減小鎖相環分頻比、合理設計了關鍵環路濾波參數。

C、低噪放/功放

一體化模塊中采用高增益、低噪聲、超小型低噪放。低噪放對發射頻率點的接頻點抑制度達到110 dBc,因此帶有窄帶濾波器,濾波帶寬≥±10MHz,只有達到此指標,才能有效防止發射信號串入接收通道。低噪放前端采用濾波器,防止發射頻率的發射功率串入接收放大器中導致阻塞。采用一級場放和兩級單片放大器,場放采用ATF-FET,在2.5GHZ、工作電流10mA下,完全能滿足要求,單片放大器采用MAX單片放大器工作電流7mA左右,噪聲系數小于2.5 dB,兩級單片放大器滿足較大的增益余量。國外進口的陶瓷濾波器是專為該頻段設計的,其主要參數指標如下:中心頻率fo、帶寬±50MHz,常溫下的插損2.5dB,對發射頻率點的衰減≥50dB。在電路設計中,為了確保在整個工作溫度范圍內滿足任務指標要求,濾波器的最大插損假設為3.5dB。

圖3:一體化模塊功放采用進口功放管自行設計的AB類10W功放。

基帶部分

基帶部分采用北斗一代基帶芯片。該芯片集成了10個獨立的數字接收通道和一個發射通道,可完成北斗衛星基帶信號的接收處理和發射基帶信號的生成。基帶處理芯片采用CMOS 0.18um工藝,內嵌一個16位定點數字信號處理器作為處理引擎,具有豐富的接口資源,可以通過多種接口跟上位機進行交互,方便擴展應用。其外設包括一個支持六個獨立通信上下文的DMA、SPI 接口、兩個通用串行接口,此外還包括兩個通用定時器、8 個通用輸入輸出口、鎖相環時鐘發生器。

圖4:北斗一代“領航一號”基帶芯片的結構方框圖。

3、外設接口及功能

此接口采用30(2*15) Pin 插針輸出。接收通道輸入:SMA。發射通道輸出:SMA。電源:3.6~4.2V。外設接口定義如下表。

外設接口定義。

本文小結

對于那些目前仍然還采用分立器件或者多芯片來實現北斗導航終端射頻和數字設計的工程師們來說,廣嘉電子推出的業界首款全集成北斗收發射通道和基帶所有功能的北斗一體化終端方案,解決了所有公司及設計工程師面臨的設計難題。該一體化模塊方案集成了低噪聲放大器、功率放大器、上下變頻通道(BG-DB-2416CX)和基帶部分的功能,非常適合于那些技術實力不強或者節約研發成本的公司進行二次開發應用。該方案適合于北斗系統終端各種機型,如車載、艦載、指揮監控型、手持、授時等機型。

供稿:北京廣嘉創業電子技術有限公司

參考:

http://www.ed-china.com/ART_8800031189_400001_500003_TS_dcde1e19.HTM

開放分享：優質有限元技術文章,助你自學成才