一种双系统双频导航接收机射频前端装置的制作方法

专利名称：一种双系统双频导航接收机射频前端装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信和导航领域，具体涉及一种双系统双频导航接收机射频前端装置。
背景技术：
全球定位系统(Global Position System，简称为GPS)射频信号接收机已在民航、 公路、航海等交通导航领域广泛应用。北斗二代导航系统是我国自主研发和建立的卫星导 航系统，对我国经济建设具有重要意义。我国卫星导航系统发展的总体目标是要建成一个 独立自主的、具有国际先进水平的全球卫星导航定位系统，并带动相关产业快速发展，推进 “北斗二号”产品在国民经济中的应用，促进我国卫星应用产业的发展。目前尚未出现能同时高精度接收GPS的第一路信号L1、GPS的第二路信号L2波段 信号和北斗二代卫星定位系统的第一路信号Bi、北斗二代卫星定位系统的第二路信号B2 波段信号的射频接收装置。

发明内容
本发明公开了一种双系统双频导航接收机射频前端装置。运用低功耗的设计方 法，采用了多层隔离环和深N阱等技术，降低了功耗和噪声，采用现代CMOS集成电路工艺， 实现了可同时高精度接收GPS的第一路信号Li、第二路信号L2波段信号和北斗二代卫星 定位系统的第一路信号Bi、第二路信号B2波段信号，并且具有功耗小、噪声低、体积小等特 点，可广泛应用于交通、导航、运输等领域。本发明是这样实现的通过采用两次下变频结构，将低噪声放大器、第一级混频 器、第二级混频器、频率合成器、第一级中频放大器、第二级中频放大器、可变增益放大器、 信号功率检测器、可编程增益放大器、五位模数变换器、SPI协议接口和两位模数变换器集 成在同一个射频前端芯片上，与第一级滤波器和第二级滤波器一起组成导航接收机射频前 端装置。所述GPS和北斗二代卫星定位系统的四路波段信号的射频信号首先进入两个低噪 声放大器，每个低噪声放大器输出信号分别进入一个第一级混频器的射频输入端口，与频 率合成器输出的第一级本地振荡信号在第一级混频器中进行混频，实现第一次下变频，得 到四路第一中频信号，第一级混频器的输出的每路第一中频信号经过第一级滤波器，第一 级滤波器的输出信号进入第一级中频放大器，第一级中频放大器的输出进入第二级混频器 的射频输入端口，与频率合成器输出的第二级本地振荡信号在第二级混频器中进行混频， 实现第二次下变频，得到第二中频信号，第二级混频器的输出的第二中频信号进入第二级 滤波器，第二级滤波器的输出进入第二级中频放大器，第二级中频放大器的输出分别进入 可变增益放大器、信号功率检测器和可编程增益放大器，可变增益放大器和可编程增益放 大器的输出进入两位模数转换器进行模数转换后输出数字信号，信号功率检测器的输出一 方面进入五位模数转换器，另一方面进入可变增益放大器的控制端，五位模数转换器的输 出进入SPI协议接口，SPI协议接口的输出进入可编程增益放大器的控制端。频率合成器输出第一级本地振荡信号和第二级本地振荡信号分别进入第一级混频器和第二级混频器 的本地振荡器接口。射频前端包含四个信号通路其中GPS的第一路信号Ll通路的接收频点为 1575. 42MHz的GPS的第一路信号Ll波段信号；其中GPS的第二路信号L2通路的接收频点 为1227. 6MHz的GPS的第二路信号L2波段信号；其中北斗二代卫星定位系统的第一路信号 Bl通路的接收频点为1561. 098MHz的北斗二代卫星定位系统的第一路信号Bl波段信号； 其中北斗二代卫星定位系统的第二路信号B2通路的接收频点为1207. 14MHz的北斗二代卫 星定位系统的第一路信号B2波段信号。本发明的导航接收机射频前端装置接收信号的原理为采用两次下变频结构，可 实现对镜象频率的尽可能的抑制，射频信号首先经过低噪声放大器对信号进行低噪放大， 同时信噪比的恶化极小；经过低噪放大后的信号送入第一级混频器，第一级混频器用频率 合成器提供的本地振荡信号对低噪放大后的信号进行第一次下变频，将该信号变频到第一 中频信号的频率，得到第一中频信号；所述的第一中频信号经过第一级滤波器和第一级中 频放大器后进入第二级混频器进行最终的下变频，得到第二中频信号，而这时的本地振荡 信号为频率合成器输出的本地振荡信号的分频信号；所述的第二中频信号经过第二级滤波 器和第二级中频放大器后进入自动增益控制系统，对信号进行稳定输出功率的控制放大或 者衰减，其增益系数由输入信号的强弱决定，并在60dB范围内动态变化；自动增益控制系 统有数字自动增益控制系统和模拟自动增益控制系统，具体采用哪种控制方式，由基带芯 片通过SPI协议接口实现选择。北斗二代卫星定位系统的第一路信号Bl波段信号和北斗二代卫星定位系统的第 二路信号B2波段信号共用一个低噪声放大器和混频器。频率合成器输出的本地振荡信号 频率为1326MHz，第一路信号Bl波段信号和第二路信号B2波段信号通过第一级混频器后的 第一中频信号频率分别为235. 098MHz和118. 86MHz。频率合成器经分频后输出的本地振荡 信号频率为221MHz和132. 6MHz。第一路信号Bl波段信号和第二路信号B2波段信号通过 混频器后的第二中频频率分别为14. 098MHz和13. 74MHz。GPS的第一路信号Ll波段信号和GPS的第二路信号L2波段信号共用一个低噪声 放大器和第一级混频器。频率合成器输出的本地振荡信号频率为1338MHz，第一路信号Ll 波段信号和第二路信号L2波段信号通过混频器后的第一中频信号频率分别为237. 42MHz 和110. 4MHz。频率合成器经分频后输出的本地振荡信号频率为223MHz和124MHz。第一路 信号Ll波段信号和第二路信号L2波段信号通过第二级混频器后的第二中频信号频率分别 为 14. 42MHz 禾口 13. 6MHz。可变增益放大器和信号功率检测器组成模拟自动增益控制闭环来实现功率的自 动控制，同时也可由可编程增益放大器、信号功率检测器、五位模拟转换器和SPI协议接口 组成数字自动增益控制闭环来实现功率的自动控制。模拟和数字控制模式的切换由SPI协 议接口通过信号线接收基带控制信号来完成。本发明涉及的射频前端装置能同时高精度接收GPS的第一路信号Li、第二路信号 L2波段信号和北斗二代卫星定位系统的第一路信号Bi、第二路信号B2波段信号。采用两 次下变频结构，是具有射频前端低噪放大、混频、中频放大、数模混和AGC、AFC、A/D变换功 能的一体化芯片。运用低功耗的设计方法，并采用了多层隔离环和深N阱等技术，降低了功耗和噪声。用现代CMOS集成电路工艺实现，具有功耗小、噪声低、体积小等特点，可广泛应 用于交通、导航、运输等领域，特别适用在兼容全球定位系统和北斗二代卫星定位系统的信 号接收，能同时高精度接收GPS的Li、L2波段信号和北斗二代卫星定位系统的Bi、B2波段信号。


图1为本发明的射频前端装置整体结构示意图2为本发明低噪声放大器的电路原理图3为本发明第一级混频器的电路原理图4为本发明中频放大器的电路原理图5为本发明第二级混频器的电路原理图6为本发明可变增益放大器的结构框图7为本发明控制电压转换级的电路原理图8为本发明可变增益放大级的电路原理图9为本发明可编程增益放大器的结构框图10为本发明固定增益和固定衰减级的电路原理图11为本发明可变增益级的电路原理图12为本发明信号功率检测器的结构框图13为本发明直流失调消除电路的电路原理图
图14为本发明限幅放大器的电路原理图15为本发明整流器的电路原理图16为本发明频率合成器的结构框图17为本发明鉴频鉴相器的电路原理图18为本发明电荷泵的电路原理图19为本发明压控振荡器的电路原理图20为本发明两位模数转换器的电路原理图21为本发明五位模数转换器的电路原理图。
图中
1.低噪声放大器 2.第一级混频器3.第一频率合成器
4.第一级滤波器 5.第一级中频放大器6.第二级混频器
7.第二级滤波器 8.第二级中频放大器9.可变增益放大器
10信号功率检测器 11.可编程增益放大器12五位模数变换器
13两位模数变换器 14. SPI协议接口
晶体管Ml M103分别为第一晶体管Ml 第一百零:三晶体管M103。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。参照图1所示，本发明提供的射频前端装置包含四条信号通路其中GPS的第一路 信号Ll通路的接收频点为1575. 42MHz的GPS的第一路信号Ll波段信号；其中GPS的第二
6路信号L2通路的接收频点为1227. 6MHz的GPS的第二路信号L2波段信号；其中北斗二代 卫星定位系统的第一路信号Bl通路的接收频点为1561. 098MHz的北斗二代卫星定位系统 的第一路信号Bl波段信号；其中北斗二代卫星定位系统的第二路信号B2通路的接收频点 为1207. 14MHz的北斗二代卫星定位系统的第二路信号B2波段信号。北斗二代卫星定位系统的第一路信号B 1波段信号和北斗二代卫星定位系统的 第二路信号B2波段信号共用一个低噪声放大器和混频器。频率合成器输出的本地振荡信 号频率为1326MHz，第一路信号Bl波段信号和第二路信号B2波段信号通过第一级混频器后 的第一中频信号频率分别为235. 098MHz和118. 86MHz。频率合成器经分频后输出的本地振 荡信号频率为221MHz和132. 6MHz。第一路信号Bl波段信号和第二路信号B2波段信号通 过混频器后的第二中频频率分别为14. 098MHz和13. 74MHz。GPS的第一路信号Ll波段信号和GPS的第二路信号L2波段信号共用一个低噪声 放大器和第一级混频器。频率合成器输出的本地振荡信号频率为1338MHz。第一路信号Ll 波段信号和第二路信号L2波段信号通过混频器后的第一中频信号频率分别为237. 42MHz 和110. 4MHz。频率合成器经分频后输出的本地振荡信号频率为223MHz和124MHz。第一路 信号Ll波段信号和第二路信号L2波段信号通过第二级混频器后的第二中频信号频率分别 为 14. 42MHz 禾口 13. 6MHz。本发明为实现对镜象频率的尽可能的抑制，采用两次下变频结构，如图1所示，本 发明提供的射频前端装置包括两个低噪声放大器1、两个第一级混频器2、两个频率合成器 3、四个第一级滤波器4、四个第一级中频放大器5、四个第二级混频器6、四个第二级滤波器 7、四个第二级中频放大器8、四个可变增益放大器9、四个信号功率检测器10、四个可编程 增益放大器11、四个五位模数变换器12、四个两位模数变换器13和两个SPI协议接口 14， 所述四路波段信号(L1、L2、B1和B2)的射频信号首先进入两个低噪声放大器2对信号进行 放大，同时信噪比的恶化极小；经过低噪放大后，低噪声放大器2输出信号分别进入两个第 一级混频器2，并分别在第一级混频器2中与第一频率合成器3输出的第一级本地振荡信号 和第二频率合成器3'输出的第一级本地振荡信号进行第一次下变频，其中，第一频率合成 器3输出的本地振荡信号与第一路信号Bl和第二路信号B2混频，得到两路北斗二代卫星 定位系统的第一中频信号；第二频率合成器3'输出的本地振荡信号与第一路信号Ll和第 二路信号L2混频，得到两路GPS的第一中频信号；上述得到的四路第一中频信号分别进入 四个第一级滤波器4，下面以其中一路第一中频信号的下变频过程进行说明。如图1所示，第一级混频器2的输出信号为第一路信号Bl下变频后的第一中频信 号，第一中频信号经过第一级滤波器4，第一级滤波器4的输出信号进入第一中频放大器5， 第一中频放大器5的输出信号进入第二级混频器6进行最终的下变频，在第二级混频器6 中，第一中频放大器5的输出信号与第一频率合成器3输出的第二级本地振荡信号进行混 频，得到第二中频信号。所述的第二级本地振荡信号为第一级本地振荡信号的分频信号；， 第二级混频器6的输出进入第二级滤波器7，第二级滤波器7的输出进入第二级中频放大 器8，第二级中频放大器8的输出信号进入自动增益控制系统，对信号进行稳定输出功率的 控制放大或衰减，其增益系数由输入信号的强弱决定，并在60dB范围内动态变化。自动增 益控制系统有数字自动增益控制系统和模拟自动增益控制系统，具体采用哪种控制方式， 由基带芯片通过SPI接口实现选择。如图1所示，所述的自动增益控制系统包括可变增益放大器9、信号功率检测器10、可编程增益放大器11、五位模数变换器12、两位模数变换器 13和SPI协议接口 14，第二级中频放大器8的输出信号分别进入可变增益放大器9、信号功 率检测器10、可编程增益放大器11、，可变增益放大器9和9可编程增益放大器11的输出 进入两位模数转换器13输出数字信号，信号功率检测器10的输出一方面进入五位模数转 换器12，另一方面进入可变增益放大器9的控制端，五位模数转换器12的输出进入SPI协 议接口 14，SPI协议接口 14的输出进入可编程增益放大器11的控制端。可变增益放大器 9和信号功率检测器10组成模拟自动增益控制闭环来实现功率的自动控制，同时也可由可 编程增益放大器11、信号功率检测器10、五位模拟转换器12和SPI协议接口 14组成数字 自动增益控制闭环来实现功率的自动控制。模拟和数字控制模式的切换由SPI协议接口 14 通过信号线接收基带控制信号来完成。其中低噪声放大器的电路原理图为图2，图中RF_in为射频信号输入端，连接在第 一晶体管Ml的栅极，RF_outN和RF_outP分别为射频信号的同相输出端和反相输出端，并 分别连接第三电容C3和第四电容C4，所述的第三电容C3和第四电容C4分别连接在第三晶 体管M3和第二晶体管M2的源极；电压源Vdd分两路，其中一路与第二晶体管M2的栅极连 接，另一路与第三晶体管M3的栅极连接；在所述电压源Vdd与所述第二晶体管M2的漏极之 间并联连接第一电感Ll和第五电容C5 ；在所述电压源Vdd与所述第三晶体管M3的漏极之 间并联连接第二电感L2、第六电容C6 ；所述的第一晶体管Ml的栅极和源极之间跨接第一电 容Cl，第一晶体管Ml的源极通过一串联源级电感Ls连接到地；偏置电压V_bias通过第一 电阻Rl和第二电阻R2连接到第一晶体管Ml和第四晶体管M4的栅极；第一晶体管Ml的漏 极通过串联第二电容C2与第四晶体管M4的栅极相连；第四晶体管M4的源极接地。图3为图1中第一级混频器的电路原理图，RF_N和RF_P为来自于低噪声放大器 输出的射频信号输入端，L0_N*L0_P为来自于频率合成器的本地振荡信号的输入端，IF_ N和混频后的第一级中频信号的输出端；本地振荡信号L0_P与第八晶体管M8和第 九晶体管M9的栅极相连；本地振荡信号L0_N与第七晶体管M7和第十晶体管MlO的栅极相 连；射频信号RF_N与第五晶体管M5和第十一晶体管Mll的栅极相连；射频信号RF_P与第 十二晶体管M12和第六晶体管M6的栅极相连；第一中频信号别与第七晶体 管M7和第十晶体管MlO的漏极相连；电源Vdd分两路，一路连接第五晶体管M5的源极和电 阻R3 ；另一路连接第六晶体管M6的源极和电阻R4 ；电阻R3和R4的另一端分别接第七晶体 管M7和第十晶体管MlO的漏极；第七晶体管M7、第八晶体管M8源极相连并与第五晶体管 M5、第十一晶体管Mll的漏极相接；第九晶体管M9、第十晶体管MlO源极相连并与第六晶体 管M6、第十二 M12的漏极相接；第十一晶体管Mil、第十二晶体管M12的源极相连并接地。图4为图1中第一级中频放大器和第二级中频放大器的电路原理图，
Vin_n分别为第一中频信号的同相和反相输入端，分别连接第十三晶体管M13和第十四晶 体管M14的栅极；Vout_n分别为第一中频信号的同相和反相输出端，分别连接第 十六晶体管M16和第十七晶体管M17的漏极；偏置电压V_biasl连接第十五晶体管M15、第 十六晶体管M16、第十七晶体管M17、第十八晶体管M18的栅极；偏置电压V_bias2连接晶体 管第二十一晶体管M21的栅极；共模偏置电SV_bias_CM连接到一差转单放大器OP的反相 输入端，差转单放大器OP的同相输入端接在电阻R5和电阻R6的中间，差转单放大器OP的 输出接第十九晶体管M19、第二十晶体管M20的栅极；电阻R5、R6的另一端分别接第十七晶体管M17、第十八晶体管M18的漏极；第十三晶体管M13、第十四晶体管M14的源极相连并和 第二十一晶体管M21的漏极相接；第十五晶体管M15、第十六晶体管M16的源极相连并和第 十三晶体管M13的漏极相接；第十七晶体管M17、第十八晶体管M18的源极相连并和第十四 晶体管M14的漏极相接；第十五晶体管M15、第十八晶体管M18的漏极分别和第十七晶体管 M17、第十六晶体管M16的漏极相连；第十六晶体管M16、第十七晶体管M17的漏极分别接第 十九晶体管M19、第二十晶体管M20的漏极；第十九晶体管M19、第二十晶体管M20的源极接 电源；第二十一晶体管M21的源极接地。图5为图1中第二级混频器的电路原理图，所述的第二级混频器6的电路在第一 级混频器2的电路原理(图3)基础上，在第五晶体管M5的栅极和第六晶体管M6的栅极之 间接电压偏置V_bias。图6为图1中可变增益放大器的结构框图，Vin_P*Vin_N分别为同相和反相输 入信号；VouU^P Vout_N分别为同相和反相输出信号；V_Control为由信号功率检测器10 产生的控制电压信号；V_C0ntr0l通过控制电压转换级将由信号功率检测器10产生的电压 信号转换成可变增益级所需要的电压偏置信号；输入信号Vin_P和Vin_N通过两级级联的 可变增益放大级，再通过一个由源极跟随器组成的电压缓冲级实现60dB动态范围的信号 可变增益的放大。图7为图6中控制电压转换级的电路原理图，控制电压V^ontrol连接到第 二十二晶体管M22、第二十五晶体管M25的栅极；第二十二晶体管M22、第二十五晶体管M25 的漏极分别接第二十六晶体管M26、第二十三晶体管M23的漏极；第二十二晶体管M22、第 二十五晶体管M25的源极分别接地GND和电源VDD ；第二十六晶体管M26的栅极和漏极相 连；第二十三晶体管M23的栅极和漏极相连，并接输出第七电容C7 ；第二十三晶体管M23、 第二十六晶体管M26的源极分别接地和电源；第二十七晶体管M27的栅极与第二十六晶 体管M26的栅极相连；第二十七晶体管M27的漏极与第二十四晶体管M24的漏极相连；第 二十四晶体管M24的栅极和漏极相连，并接输出第八电容C8。图8为图6中可变增益放大级的电路原理图，第九电容C9、第十电容ClO分别接 晶体管M28、晶体管M29的栅极；同相输入信号Vin_P和反相输入信号Vin_N分别接晶体管 M32、晶体管M35的栅极；晶体管M30、晶体管M31的栅极接共模参考电平Vref ；同相输出信 号反相输出信号Vout_N分别接晶体管M32、晶体管M35的漏极；晶体管M32、晶体 管M35源极相连，并与晶体管M28的漏极相接；晶体管M33、晶体管M34源极相连，并与晶体 管M29的漏极相接；晶体管M33栅极和漏极相连，并与晶体管M32的漏极相接；晶体管M34 栅极和漏极相连，并与晶体管M35的漏极相接；晶体管48、晶体管M41的栅极相连，漏极分 别接晶体管M32、晶体管M35的漏极；晶体管M40、晶体管M41的源极接电源；晶体管M28、晶 体管M29的源极接地；晶体管M36、晶体管M37源极相连，并与晶体管M30的漏极相接；晶体 管M38、晶体管M39源极相连，并与晶体管M31的漏极相接；晶体管M37、晶体管M38的栅极 相连并接共模参考电平Vref ；晶体管M37、晶体管M38的漏极相连并接晶体管M42的漏极； 晶体管M36、晶体管M39的栅极分别接Vout_N和Vout_P ；晶体管M36、晶体管M39的漏极相 连并接晶体管M43的漏极；晶体管M42、晶体管M43的栅极相连；晶体管M43的栅极和漏极 相连；晶体管M42的漏极接晶体管M40、晶体管M41的栅极；晶体管M42、晶体管M43的源极 接电源；晶体管M30、晶体管M31的源极接地。
图9为图1中可编程增益放大器的结构框图，Vin_N分别为同相和反相输 入信号；Vout_N分别为同相和反相输出信号；三个固定增益级1101、1102、1103 通过开关级联在一起，最后再通过开关级联一级可变增益级1104 ；固定衰减级1105通过开 关和前两个固定增益级1101、1102并联，并和第三个固定增益级1103和可变增益级1104级联。图10为图9中固定增益级和固定衰减级的电路原理图，在图4中第一级中频放 大器和第二级中频放大器的电路原理图的基础上，去掉第十五晶体管M15和第十八晶体管 M18的栅极上的偏置电压V_biasl，而在第十五晶体管M15和第十八晶体管M18的栅极上接 增益控制电压V_Contro 1，形成固定增益级和固定衰减级的电路。图11为图9中可变增益级的电路原理图，Vin_p和Vin_n分别为同相和反相信号 输入端，分别连接晶体管M50和晶体管M58的栅极；Vo_n分别为同相和反相信号 的输出端，分别连接晶体管M47和晶体管M54的漏极；晶体管M44、晶体管M45的栅极相接， 并连接到晶体管M46的漏极；晶体管M44的漏极接晶体管M46的源极；晶体管M45的漏极 接晶体管M47的源极；第晶体管M46、晶体管M47的栅极相连，并接偏置电压V_biasl ；晶体 管M46、晶体管M47的漏极间串接了 5个电阻Rll R15，并分别并联了 5个短路开关Sl S5 ；晶体管M50、晶体管M48的漏极分别接晶体管M46、晶体管M47的漏极；晶体管M48的源 极接晶体管M49的漏极；晶体管M48的栅极接偏置电压V_bias2 ；晶体管M49的源极接地； 晶体管M44、晶体管M45的源极接电源；晶体管M50的源极接晶体管M51的漏极；晶体管M51 的源极接地，栅极接偏置电压V_bias3 ；晶体管M52 M59的拓扑结构和M44 M51的完全 对称；电阻R21、R22跨接在晶体管M47、晶体管M54的漏极之间，且其中点电压接到晶体管 M49、晶体管M57的栅极。图12为图1中信号功率检测器的结构框图，Vin_p和Vin_n分别为同相和反相信 号输入端，同时进入直流失调消除电路和整流器电路；信号从直流失调消除电路输出后经 过七级级联限幅放大器放大后，通过第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第十一电容Cll 反馈回直流失调消除电路；七个级联的限幅放大器的输出均并联一个整流器；八个整流器 的电流通过由第二十五电阻R25和第十二电容C12并联构成的滤波电路后转换成电压V_ out输出。图13为图12中直流失调消除电路的电路原理图，Virm和Vinp分别为反相和同 相信号输入端，并分别接晶体管M60、晶体管M61的栅极；Voutn和Voutp分别为反相和同相 信号输出端，其中Voutn输出端连接晶体管M64的栅极、漏极以及晶体管M60的漏极，Voutp 输出端连接晶体管M65的栅极、漏极以及晶体管M61的漏极；Vosn和Vosp分别为直流消除 信号的反相和同相信号输入端，并分别接晶体管M70、晶体管M69的栅极；晶体管M66、晶体 管M67、晶体管M68的栅极相连接偏置电压V_bias ；晶体管M66、晶体管M67、晶体管M68的 源极相连接地；晶体管M64、晶体管M65的源极相连，接晶体管M68的漏极；晶体管M60、晶体 管M61的源极相连，接晶体管M66的漏极；晶体管晶体管M69、晶体管M70的源极相连，接晶 体管M67的漏极；晶体管M69、晶体管M70的漏极分别接晶体管M63、晶体管M62的漏极；电 阻R26、R27跨接在晶体管M62、晶体管M63的漏极之间，并且中点电压接晶体管M62、晶体管 M63的栅极；晶体管M63、M62的源极接电源。图14为图12中限幅放大器的电路原理图，Virm和Vinp分别为反相和同相信号输入端，并分别接晶体管M72、M71的栅极；Voutn和Voutp分别为反相和同相信号输出端， 并分别接晶体管M71的栅极，晶体管M75、晶体管M73的栅极，漏极和晶体管M72的栅极、晶 体管M76、晶体管M74的栅极，漏极；电阻R28、R29跨接在晶体管M74、晶体管M75漏极之间， 且中点电压接晶体管M73、晶体管M74的栅极；晶体管M73、晶体管M74的源极接电源；晶体 管M71、晶体管M72的源极相接，并接晶体管M77的漏极；晶体管M75、晶体管M76的源极相 接，并接晶体管M78的漏极；晶体管M77、晶体管M78的栅极接偏置电压Vbias ；晶体管M77、 M78的源极接地。图15为图12中整流器的电路原理图，Vinp和Virm分别为同相和反相信号输入 端；Vinp接晶体管M80、晶体管M86、晶体管M88的栅极；Virm接晶体管晶体管M81、晶体管 M85、晶体管M89的栅极；Iout为输出电流信号，接晶体管M91的漏极；偏置电压Vbias接晶 体管M79、晶体管M84、晶体管M87的栅极；晶体管M80、晶体管M81的源极相连，并接晶体管 M79的漏极；晶体管M85、晶体管M86的源极相连，并接晶体管M84的漏极；晶体管M88、晶体 管M89的源极相连，并接晶体管M87的漏极；晶体管M80、晶体管M85、晶体管M88的漏极相 连，并接晶体管M82的漏极；晶体管M81、晶体管M86、晶体管M89、晶体管M90的漏极相连， 并接晶体管M83的漏极；晶体管M82、第九十八晶体管M83的栅极相连，并接晶体管M82的 漏极；晶体管M90、晶体管M91的栅极相连，并接五晶体管M90的漏极；晶体管M82、第九十八 晶体管M83、晶体管M90、晶体管M91的源极接电源；晶体管M79、晶体管M84、晶体管M87的 源极接地。图16为图1中第一频率合成器和第二频率合成器的结构框图，由外部温补振荡晶 体提供的参考频率输入到第一分频器；第一分频器的具体参数由应用范围决定；经过第一 分频器分频后送入鉴频鉴相器与另一输入频率比较；比较的结果送入电荷泵产生控制电压 信号；由电荷泵产生的控制电压信号送入环路滤波器滤波后，输入到压控振荡器，控制产生 精确频率的第一级本地振荡信号；该信号同时经过第二分频器分频后，送入鉴频鉴相器的 另一输入端；第二分频器的具体参数由应用范围决定。图17为图16中鉴频鉴相器的电路原理图，REF为外部输入参考频率信号经过第 一分频器后输出的参考信号；VC0_DIV为压控振荡器经过第二分频器后的输出信号；UP和 DOWN信号为提供给电荷泵电路的输出信号；第一 D触发器和第二 D触发器的D输入端接电 源；时钟输入端分别接REF和VC0_DIV ；两个D触发器的Q端输出接一个与门的两输入端， 再经过两个反相器后送入两触发器的Reset复位端；两D触发器的Q端输出各经过一个缓 冲器后为UP和DOWN输出信号。图18为图16中电荷泵的电路原理图，输入信号UP、DOWN为前级鉴频鉴相器的输 出信号，并分别接晶体管M95、晶体管M94的栅极；晶体管M95、晶体管M94的栅极漏极相连， 并接输出信号Vc ；晶体管M96、晶体管M97的栅极相连，并接晶体管M96的漏极；晶体管M96 的漏极接电流源Iup ；晶体管M92、晶体管M93的栅极相连，并接晶体管M93的漏极；晶体管 M93的漏极接电流源Idown ；晶体管M96、晶体管M97的源极接电源；晶体管M92、晶体管M93 的源极接地；晶体管M95的源极和晶体管M97的漏极相连；晶体管M94的源极和晶体管M92 的漏极相连。图19为图16中压控振荡器的电路原理图，Vc为控制电压输入端；VoutP、VoutN 分别为同相和反相信号输出端；晶体管M100、晶体管MlOl的源极相连，并接第四电感L4的
11一端；第四电感L4的另一端接地；晶体管M100、晶体管MlOl的漏极分别接晶体管M98、晶 体管M99的漏极；晶体管MlOO的栅极接晶体管MlOl的漏极；晶体管MlOl的栅极接晶体管 MlOO的漏极；晶体管M98的栅极接晶体管M99的漏极；晶体管M99的栅极接晶体管M97的 漏极；晶体管M100、晶体管MlOl的源极相连，并接电源；第三电感L3跨接在晶体管M98、晶 体管M99漏极之间；压控电容C13、C14串联，也跨接在晶体管M98、晶体管M99漏极之间； 压控电容C13、C14的中点接控制电压Vc ；晶体管M102的漏极接电源，源极接电阻R30和输 出VoutN，栅极接晶体管MlOO的漏极；晶体管M103的漏极接电源，源极接电阻R31和输出 VoutP，栅极接晶体管MlOl的漏极。图20为图1中两位模数转换器的电路原理图，Vin为输入电压信号，SGN为输出的 符号位，MAG为输出的幅度位；输入信号Vin分别接电压比较器A、C的同相输出端和电压比 较器B的反相输入端；电压比较器A、C的反相输入端分别接负参考电平-Vref和OV ；电压 比较器B的反相输入端接正参考电平Vref ；电压比较器A、B的输出经过或门后输入到D触 发器，经过D触发器锁存后产生幅度位输出MAG ；输入信号经过电压比较器C，再已经D触发 器锁存后产生符号位输出SGN。图21为图1中五位模数转换器的电路原理图，电源到地之间串联了电阻Rl R6 ； 两两电阻间的电压接一电压比较器的同相输入端；所有电压比较器的反相输出端接输入信 号Vin ；电压比较器的输出送入一寄存器缓存，并最终送入SPI接口。综上所述，本发明广泛应用于采用0. 18微米CMOS工艺设计生产的BD与GPS双系 统兼容高精度卫星导航接收机射频、中频、基带输出系统组合芯片BHBDGPS1001中。
权利要求
一种双系统双频导航接收机射频前端装置，其特征在于所述装置通过采用两次下变频结构，同时高精度接收GPS的第一路信号L1、第二路信号L2波段信号和北斗二代卫星定位系统的第一路信号B1、第二路信号B2波段信号；所述的装置包括两个低噪声放大器、两个第一级混频器、第一频率合成器、第二频率合成器、四个第一级滤波器、四个第一级中频放大器、四个第二级混频器、四个第二级滤波器、四个第二级中频放大器、四个可变增益放大器、四个信号功率检测器、四个可编程增益放大器、四个五位模数变换器、四个两位模数变换器和两个SPI协议接口，所述四路波段信号的射频信号首先进入两个低噪声放大器对信号进行放大，经过低噪放大后，低噪声放大器输出信号分别进入两个第一级混频器，并分别在第一级混频器中与第一频率合成器输出的第一级本地振荡信号和第二频率合成器输出的第一级本地振荡信号进行第一次下变频，其中，第一频率合成器输出的第一级本地振荡信号与第一路信号B1和第二路信号B2混频，得到两路北斗二代卫星定位系统的第一中频信号；第二频率合成器输出的第一级本地振荡信号与第一路信号L1和第二路信号L2混频，得到两路GPS的第一中频信号；上述得到的四路第一中频信号分别进入四个第一级滤波器，用于进行第二次下变频，具体为第一中频信号经过第一级滤波器，第一级滤波器的输出信号进入第一中频放大器，第一中频放大器的输出信号进入第二级混频器，在第二级混频器中，第一级中频放大器的输出信号与第一频率合成器输出的第二级本地振荡信号进行混频，得到第二中频信号，第二级混频器输出第二中频信号进入第二级滤波器，第二级滤波器的输出进入第二级中频放大器，第二级中频放大器的输出信号进入自动增益控制系统，对信号进行稳定输出功率的控制放大或衰减；所述的自动增益控制系统包括可变增益放大器、信号功率检测器、可编程增益放大器、五位模数变换器、两位模数变换器和SPI协议接口，第二级中频放大器的输出信号分别进入可变增益放大器、信号功率检测器、可编程增益放大器，可变增益放大器和可编程增益放大器的输出进入两位模数转换器输出数字信号，信号功率检测器的输出一方面进入五位模数转换器，另一方面进入可变增益放大器的控制端，五位模数转换器的输出进入SPI协议接口，SPI协议接口的输出进入可编程增益放大器的控制端。
2.根据权利要求1所述的一种双系统双频导航接收机射频前端装置，其特征在于 所述的射频前端装置包含四个信号通路其中GPS的第一路信号Ll通路的接收频点为 1575. 42MHz的GPS的第一路信号Ll波段信号；其中GPS的第二路信号L2通路的接收频点 为1227. 6MHz的GPS的第二路信号L2波段信号；其中北斗二代卫星定位系统的第一路信号 Bl通路的接收频点为1561. 098MHz的北斗二代的第一路信号Bl波段信号；其中北斗二代 卫星定位系统的第二路信号B2通路的接收频点为1207. 14MHz的北斗二代的第二路信号B2 波段信号。
3.根据权利要求1所述的一种双系统双频导航接收机射频前端装置，其特征在于所 述的第一频率合成器输出的第一级本地振荡信号频率为1326MHz，北斗二代卫星定位系统 的第一路信号Bl波段信号和第二路信号B2波段信号通过第一级混频器后的第一中频信号 频率分别为235. 098MHz和118. 86MHz ；第一频率合成器输出的第二级本地振荡信号频率为 221MHz和132. 6MHz，分别进入两个第二级混频器；北斗二代卫星定位系统的第一路信号Bl 波段信号和第二路信号B2波段信号通过两个第二级混频器后的两路第二中频信号频率分别为 14. 098MHz 和 13. 74MHz。
4.根据权利要求1所述的一种双系统双频导航接收机射频前端装置，其特征在于所 述的第二频率合成器输出的第一级本地振荡信号频率为1338MHz，GPS的第一路信号Ll波 段信号和GPS的第二路信号L2波段信号通过第一级混频器后的第一中频信号频率分别为 237. 42MHz和110. 4MHz ；第二频率合成器输出的两个第二级本地振荡信号频率为223MHz和 124MHz, GPS的第一路信号Ll波段信号和GPS的第二路信号L2波段信号通过两个第二级 混频器后的两路第二中频信号频率分别为14. 42MHz和13. 6MHz。
全文摘要
本发明公开一种双系统双频导航接收机射频前端装置，通过采用两次下变频结构，将低噪声放大器、第一级混频器、第二级混频器、频率合成器、第一级中频放大器、第二级中频放大器、可变增益放大器、信号功率检测器、可编程增益放大器、五位模数变换器、SPI协议接口和两位模数变换器集成在同一个射频前端芯片上，与第一级滤波器和第二级滤波器一起组成导航接收机射频前端装置。该装置能同时高精度接收全球定位系统GPS的L1、L2波段和北斗二代导航系统BD2的B1、B2波段的射频信号，运用低功耗的设计方法，采用多层隔离环和深N阱技术，降低了功耗和噪声；用现代CMOS集成电路工艺实现，具有功耗小、噪声低、体积小等特点，可广泛应用于交通、导航、运输等领域。
文档编号G01S19/33GK101915932SQ20101020623
公开日2010年12月15日 申请日期2010年6月12日 优先权日2010年6月12日
发明者刘文婷, 夏温博, 孙杨, 宋丹, 张展, 张晓林, 李怀周, 申晶 申请人:北京航空航天大学