分享一款GNSS卫星导航射频前端芯片

　　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。
　　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威廉希尔官方网站 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）。