北斗一體化導(dǎo)航模塊終端設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

隨著全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的格局形成，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展前景政策逐漸明朗化，北斗導(dǎo)航終端設(shè)備已經(jīng)從分立元件逐步向集成化和芯片化方向發(fā)展。但是，如何解決北斗終端設(shè)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從2000年發(fā)射系統(tǒng)衛(wèi)星至今在軍民領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，一直處于從研究到應(yīng)用轉(zhuǎn)化過程中，現(xiàn)在正在從試驗(yàn)應(yīng)用型向業(yè)務(wù)服務(wù)型轉(zhuǎn)變。衛(wèi)星應(yīng)用已成為經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和政府決策的重要支撐。根據(jù)《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》和《航天發(fā)展十一五規(guī)劃》的內(nèi)容，將會(huì)加快形成建立以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的民用導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)體制；促進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；對(duì)于涉及國(guó)家經(jīng)濟(jì)、公共安全的重要行業(yè)領(lǐng)域須逐步過渡到采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航兼容其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)體制，鼓勵(lì)其他行業(yè)和領(lǐng)域采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航兼容其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)體制；大力推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航運(yùn)營(yíng)業(yè)的規(guī)?；⒁?guī)范化發(fā)展；鼓勵(lì)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)衛(wèi)星導(dǎo)航接收芯片、關(guān)鍵元器件、電子地圖、用戶終端等產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化。到2020年，完成應(yīng)用衛(wèi)星從試驗(yàn)應(yīng)用型向業(yè)務(wù)服務(wù)型轉(zhuǎn)變，地面設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率達(dá)80%。

北京廣嘉電子作為北斗導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈中廠商中的一員，利用自身在芯片設(shè)計(jì)和北斗行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，在業(yè)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(shè)計(jì)方案是基于北京廣嘉電子設(shè)計(jì)的北斗一代射頻芯片BG-DB-2416CX和上海復(fù)控復(fù)華基帶芯片“領(lǐng)航一號(hào)”的北斗一代終端整合設(shè)計(jì)，包括了低噪放大器和功率放大器部分，解決了北斗終端設(shè)備的尺寸、功耗、特性及價(jià)格等諸多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

廣嘉北斗一體化方案總體設(shè)計(jì)

廣嘉北斗一體化模塊方案由基帶芯片“領(lǐng)航一號(hào)”、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(shí)現(xiàn)的功能是通過配置外設(shè)在北斗系統(tǒng)中心站的支持下完成定位和通信任務(wù)，同時(shí)兼有授時(shí)功能。模塊通過配置的接收天線將收到的北斗衛(wèi)星信號(hào)送入40dB的低噪放大器放大，然后送入射頻芯片BG-DB-2416CX進(jìn)行下變頻處理轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)，再經(jīng)過片內(nèi)A/D量化后輸出送入基帶芯片?；鶐酒M(jìn)行信號(hào)解密及脫格式處理，用戶返回給用戶中心站的信息按規(guī)定格式形成入站格式，并經(jīng)加密、編碼、擴(kuò)頻后形成待發(fā)數(shù)據(jù)。發(fā)射信號(hào)通過功率放大器放大后，由發(fā)射天線發(fā)射出去。模塊的應(yīng)用控制通過控制接口外接配置來實(shí)現(xiàn)。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(chuàng)業(yè)電子自主研發(fā)的BG-DB-2416CX射頻芯片(北斗一代接收/發(fā)射芯片)。它僅需少量的外部元件就可實(shí)現(xiàn)北斗一代射頻信號(hào)的接收和發(fā)射功能。該芯片集成了接收通道和發(fā)射通道，以及接收發(fā)射頻率綜合器，接收通道采用兩次變頻結(jié)構(gòu)，首先把射頻信號(hào)下變頻到第一中頻，然后再通過正交混頻器產(chǎn)生最終的正交中頻信號(hào)12.24MHZ。發(fā)射通道采用直接調(diào)制結(jié)構(gòu)，可直接處理TTL電平輸入信號(hào)，并將其調(diào)制到所需的載波頻率上，從而完成發(fā)射功能。

A、接收部分

天線接收的射頻信號(hào)(≥-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(hào)電平范圍-100~-50dBm的射頻信號(hào)。片內(nèi)前端由低噪放和混頻器組成，放大射頻輸入信號(hào)下變頻到第一中頻信號(hào)213.17MHZ。此時(shí)，外接中頻濾波器濾掉帶外干擾信號(hào)和來至中頻信號(hào)的鏡像信號(hào)，通常采用SAW和LC濾波器。第二級(jí)變頻將213.17MHZ的中頻信號(hào)變?yōu)?2.24MHZ , 通過ADC轉(zhuǎn)換為量化信號(hào)。通過可變?cè)鲆娣糯笃鱒GA和低通濾波器LPF 完成1dB 步進(jìn)增益控制。片內(nèi)接收含有三級(jí)放大、兩次變頻、濾波，其輸出為幅度為4dBm±2dBm的12.24MHZ中頻信號(hào)。芯片內(nèi)三級(jí)放大增益范圍為41~113 dB，增益可調(diào)。然后信號(hào)被AD進(jìn)行量化處理后送入基帶處理單元。中頻輸出信號(hào)強(qiáng)調(diào)增益穩(wěn)定性，以滿足AD器件的量化等級(jí)控制、輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍要求并抑制脈沖干擾。

B、發(fā)射部分

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

在芯片中由于收、發(fā)的信號(hào)均為高速率調(diào)制的數(shù)字信號(hào)，因此對(duì)頻綜的相位噪聲有嚴(yán)格的要求。本振頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度直接影響解調(diào)終端接收門限和誤碼率。在發(fā)射電路中，對(duì)載波頻率的要求為5×10－7，對(duì)應(yīng)的發(fā)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?yún)⒖季д裢?，減小鎖相環(huán)分頻比、合理設(shè)計(jì)了關(guān)鍵環(huán)路濾波參數(shù)。

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(duì)發(fā)射頻率點(diǎn)的接頻點(diǎn)抑制度達(dá)到110 dBc，因此帶有窄帶濾波器，濾波帶寬≥±10MHz，只有達(dá)到此指標(biāo)，才能有效防止發(fā)射信號(hào)串入接收通道。低噪放前端采用濾波器，防止發(fā)射頻率的發(fā)射功率串入接收放大器中導(dǎo)致阻塞。采用一級(jí)場(chǎng)放和兩級(jí)單片放大器，場(chǎng)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(shù)小于2.5 dB，兩級(jí)單片放大器滿足較大的增益余量。國(guó)外進(jìn)口的陶瓷濾波器是專為該頻段設(shè)計(jì)的，其主要參數(shù)指標(biāo)如下：中心頻率fo、帶寬±50MHz，常溫下的插損2.5dB，對(duì)發(fā)射頻率點(diǎn)的衰減≥50dB。在電路設(shè)計(jì)中，為了確保在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)滿足任務(wù)指標(biāo)要求，濾波器的最大插損假設(shè)為3.5dB。

圖3：一體化模塊功放采用進(jìn)口功放管自行設(shè)計(jì)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(gè)獨(dú)立的數(shù)字接收通道和一個(gè)發(fā)射通道，可完成北斗衛(wèi)星基帶信號(hào)的接收處理和發(fā)射基帶信號(hào)的生成。基帶處理芯片采用CMOS 0.18um工藝，內(nèi)嵌一個(gè)16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)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(jī)進(jìn)行交互，方便擴(kuò)展應(yīng)用。其外設(shè)包括一個(gè)支持六個(gè)獨(dú)立通信上下文的DMA、SPI 接口、兩個(gè)通用串行接口，此外還包括兩個(gè)通用定時(shí)器、8 個(gè)通用輸入輸出口、鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器。

圖4：北斗一代“領(lǐng)航一號(hào)”基帶芯片的結(jié)構(gòu)方框圖。

3、外設(shè)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(fā)射通道輸出：SMA。電源：3.6～4.2V。外設(shè)接口定義如下表。

外設(shè)接口定義。

本文小結(jié)

對(duì)于那些目前仍然還采用分立器件或者多芯片來實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航終端射頻和數(shù)字設(shè)計(jì)的工程師們來說，廣嘉電子推出的業(yè)界首款全集成北斗收發(fā)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(shè)計(jì)工程師面臨的設(shè)計(jì)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(shù)實(shí)力不強(qiáng)或者節(jié)約研發(fā)成本的公司進(jìn)行二次開發(fā)應(yīng)用。該方案適合于北斗系統(tǒng)終端各種機(jī)型，如車載、艦載、指揮監(jiān)控型、手持、授時(shí)等機(jī)型。

供稿：北京廣嘉創(chuàng)業(yè)電子技術(shù)有限公司