卫星接收机芯片和卫星接收机系统

摘要

一种卫星接收机芯片，尤其涉及一种高精度GNSS接收机使用的卫星接收机芯片，包括时钟锁相环和多路并行射频接收通道，所述时钟锁相环分别与参考频率以及所述多路并行射频接收通道相连，每一路所述并行射频接收通道的带宽和中心频率均可配置，其中，所述多路并行射频接收通道分为两组，每组均包括至少一路所述并行射频接收通道，第一组并行射频接收通道用来接收GNSS卫星信号，第二组并行射频接收通道用来接收SBAS卫星修正信号。本发明的接收机卫星接收机芯片可以同时实现全频点GNSS信号接收与SBAS信号接收，可减少使用的射频芯片数量和分立器件/模块的数量，有利于实现GNSS接收机的小型化、高集成度、低功耗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种卫星接收机芯片，尤其涉及一种高精度GNSS接收机使用的卫星接收机芯片以及一种卫星接收机系统。

背景技术

随着北斗、伽利略开始逐步提供服务，越来越多的卫星导航频率和信号可以提供使用，多种信号频率的接收，对于当前传统技术的接收机提出挑战，高集成度，小型化，低功耗，低成本是对新技术接收机的强烈要求。受制于卫星导航误差以及用户位置等多方面的影响，部分区域如地形复杂的山谷等仅依赖GNSS并不能到达理想的导航定位效果，同时一些对导航性能有特殊要求的领域，例如航空等领域，单独使用GNSS也不能完成相应要求的导航定位服务。基于以上原因，星基增强系统(Satellite Based Augmentation System)在内的一系列导航增强系统应运而生，通过增强系统的辅助配合GNSS的使用，使GNSS的定位精度等导航性能进一步提升，以满足不同区域不同领域特殊的定位服务需求。SBAS系统能为航空航海领域提供花费更低、可用性更高的导航功能，带来巨大的经济和社会效益。

星基增强系统(SBAS)通过地球静止轨道(GEO)卫星搭载卫星导航增强信号转发器，可以向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进。

目前，全球已经建立起了多个SBAS系统，如美国的广域增强系统(WAAS)、俄罗斯的差分校正和监测系统(SDCM)、欧洲的欧洲地球静止导航重叠服务(EGNOS)、日本的多功能卫星星基增强系统(MSAS)以及印度的GPS辅助静地轨道增强导航系统(GAGAN)。在民商领域，也建立起多个SBAS系统。

基于GNSS实现的高精度解决方案，再辅助以惯导、SBAS技术，可以提高定位精度和可靠性，其特点是全球全天候工作、定位测向精度高、功能多应用广。

GNSS接收机通常由射频前端处理、基带数字信号处理、定位导航运算三功能模块组成。GNSS接收机前端射频电路是GNSS接收机的核心，其性能优劣决定整个接收机的性能。

如附图1所示，目前GNSS接收机前端射频电路大部分使用集成度较高的GNSS专用射频芯片，SBAS信号前端射频电路目前使用SBAS专用射频芯片或者使用分立器件模块搭建模拟电路。现有技术实现接收GNSS与SBAS信号，多使用独立的双芯片或者多芯片多分立模块完成信号接收,需要使用至少两种专用射频芯片以及外部分立器件或分立模块。

GNSS射频芯片将GNSS信号进行放大、滤波处理后，与本机振荡器产生的本振信号进行混频后下变频成IF(中频)信号，再结合自动增益控制(AGC)经模/数转换将中频信号转变成数字中频信号。输出模拟中频或数字中频信号给基带芯片。SBAS射频芯片将SBAS信号进行放大、滤波处理后，与本机振荡器产生的本振信号进行混频后下变频成IF(中频)信号，再结合自动增益控制(AGC)经模/数转换将中频信号转变成数字中频信号。输出模拟或数字中频信号给基带芯片。

在芯片集成度不理想的情况下，这两种芯片还需要在外部增加滤波器，锁相环等分立模块来完成前端射频处理的功能。使用多颗芯片，多种分立模块，体积大、功耗高、成本高。由于现有技术使用多颗芯片或者多种外部分立模块，才能同时完成GNSS与SBAS信号前端射频处理，因此导致电路体积较大，功耗高，成本高，不符合接收机高集成度小型化、低功耗、低成本的发展要求。目前尚无一种高集成度的射频芯片可以同时接收GNSS卫星信号与SBAS信号。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提出一种卫星接收机芯片和一种卫星机接收系统。

本发明的一个方面，提供一种卫星接收机芯片，包括时钟锁相环和多路并行射频接收通道，所述时钟锁相环分别与参考频率以及所述多路并行射频接收通道相连，每一路所述并行射频接收通道的带宽和中心频率均可配置，其中，所述多路并行射频接收通道分为两组，每组均包括至少一路所述并行射频接收通道，第一组并行射频接收通道用来接收GNSS卫星信号，第二组并行射频接收通道用来接收SBAS卫星修正信号。

优选的，在所述第一组并行射频接收通道中：

每路所述并行射频接收通道均包括低噪声放大器、混频器、中频滤波器、可编程增益放大器、自动增益控制电路、模数转换电路以及锁相环电路，其中，

所述低噪声放大器的输入端用于接收所述GNSS卫星信号；

所述锁相环电路的锁相输入端与所述参考频率相连，所述锁相环电路的第一本振频率输出端与所述混频器的第一本振频率输入端相连，所述锁相环电路的第二本振频率输出端与所述混频器的第二本振频率输入端相连；

所述混频器的第一输入端和第二输入端均与所述低噪声放大器的输出端相连，所述混频器的第一输出端与所述中频滤波器的第一输入端相连，所述混频器的第二输出端与所述中频滤波器的第二输入端相连；

所述可编程增益放大器的第一输入端与所述中频滤波器的第一输出端相连，所述可编程增益放大器的第二输入端与所述中频滤波器的第二输出端相连；

所述模数转换电路的第一输入端与所述可编程增益放大器的第一输出端相连，所述模数转换电路的第二输入端与所述可编程增益放大器的第二输出端相连，所述模数转换电路的第一反馈输出端与所述自动增益控制电路的第一增益输入端相连，所述模数转换电路的第二反馈输出端与所述自动增益控制电路的第二增益输入端相连，所述模数转换电路的锁相端与所述时钟锁相环相连，所述模数转换电路的输出端用于与基带芯片相连；

所述自动增益控制电路的第一增益输出端与所述可编程增益放大器的第一放大输入端相连，所述自动增益控制电路的第二增益输出端与所述可编程增益放大器的第二放大输入端相连。

优选的，对于第一组所述并行射频接收通道中的任意一路：

所述低噪声放大器，用于对所述GNSS卫星信号进行放大处理后输出到所述混频器；

所述混频器，分别利用第一本振信号和第二本振信号对放大后的GNSS卫星信号进行下变频处理，变频后的GNSS卫星信号输出到所述中频滤波器，其中，所述锁相环电路分别为所述混频器提供所述第一本振信号和所述第二本振信号所对应的本振频率；

所述中频滤波器，用于根据预先设置的滤波器带宽，从变频后的GNSS卫星信号中过滤出符合要求的中频GNSS卫星信号，并将其输出到所述自动增益控制电路；

所述可编程增益放大器，用于对接收到的中频GNSS卫星信号进行放大，并通过所述自动增益电路控制输出的模拟中频GNSS卫星信号稳定在预先设定的幅度范围内，并将所述模拟中频GNSS卫星信号输出给所述模数转换电路；

所述模数转换电路，用于对收到的所述模拟中频GNSS卫星信号进行数字量化，缓冲输出给所述基带芯片进行解算。

优选的，所述中频滤波器为五阶切比雪夫结构滤波器，带宽为10MHz～40MHz，包含RC和OP模块。

优选的，在所述第二组并行射频接收通道中：

每路所述并行射频接收通道均包括低噪声放大器、混频器、第一级可编程增益放大器、中频带通滤波器、第二级可编程增益放大器、自动增益控制电路、模数转换电路以及锁相环电路，其中，

所述低噪声放大器的输入端用于接收所述SBAS卫星修正信号；

所述锁相环电路的锁相输入端与所述参考频率相连，所述锁相环电路的第一本振频率输出端与所述混频器的第一本振频率输入端相连，所述锁相环电路的第二本振频率输出端与所述混频器的第二本振频率输入端相连；

所述混频器的第一输入端和第二输入端均与所述低噪声放大器的输出端相连，所述混频器的第一输出端与所述第一级可编程增益放大器的第一输入端相连，所述混频器的第二输出端与所述第一级可编程增益放大器的第二输入端相连；

所述中频带通滤波器的第一输入端与所述第一级可编程增益放大器的第一输出端相连，所述中频带通滤波器的第二输入端与所述第一级可编程增益放大器的第二输出端相连；

所述第二级可编程增益放大器的输入端与所述中频带通滤波器的输出端相连，所述第二级可编程增益放大器的输出端与所述模数转换电路的输入端相连；

所述模数转换电路的锁相端与所述时钟锁相环相连，所述模数转换电路的输出端用于与所述基带芯片相连；

所述自动增益控制电路的第一增益输出端与所述第一级可编程增益放大器的第一放大输入端相连，所述自动增益控制电路的第二增益输出端与所述第一级可编程增益放大器的第二放大输入端相连，所述自动增益控制电路的第三增益输出端与所述第二级可编程增益放大器的放大输入端相连。

优选的，对于第二组所述并行射频接收通道中的任意一路：

所述低噪声放大器，用于对所述SBAS卫星修正信号进行放大处理后输出到所述混频器；

所述混频器，分别利用第一本振信号和第二本振信号对放大后的SBAS卫星修正信号进行下变频处理，变频后的SBAS卫星修正信号输出到所述第一级可编程增益放大器，其中，所述锁相环电路分别为所述混频器提供所述第一本振信号和所述第二本振信号所对应的本振频率；

所述第一级可编程增益放大器，用于对变频后的SBAS卫星修正信号进行放大，并通过所述自动增益电路控制输出的SBAS卫星修正信号稳定在预先设定的幅度范围内，并将该SBAS卫星修正信号输出给所述中频带通滤波器；

所述中频带通滤波器，用于根据预先设置的滤波器带宽，从所述SBAS卫星修正信号中过滤出符合要求的中频SBAS卫星修正信号，输出到所述第二级可编程增益放大器；

所述第二级可编程增益放大器，用于对所述中频SBAS卫星修正信号进行放大，并通过所述自动增益电路控制输出的模拟中频SBAS卫星修正信号稳定在预先设定的幅度范围内，并将所述模拟中频SBAS卫星修正信号输出给所述模数转换电路；

所述模数转换电路，用于对所述模拟中频SBAS卫星修正信号进行数字量化，缓冲输出给所述基带芯片(BC)进行解算。

优选的，所述中频带通滤波器为五阶切比雪夫结构的复数带通滤波器，带宽为2MHz，包含RC模块、中频移位模块、增益控制模块、OP模块。

优选的，所述卫星接收机芯片具有SPI串行外设总线接口，通过该接口对所述卫星接收机芯片的内部寄存器进行配置，所述SPI串行外设总线接口包括：串行时钟线、片选信号线、数据线。

优选的，所述低噪声放大器为宽带低噪声放大器，带宽为1.1GHz-1.7GHz；所述混频器为无源正交混频器结构，由Gm级、电流驱动的无源开关和跨阻放大器组成；所述锁相环电路的锁相频率合成器基于锁相环结构，包括压控振荡器、高速分频器、双模预分频器、可编程计数器、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器；所述可编程计数器包括P计数器、S计数器、R计数器；和/或，

所述模数转换电路为逐次逼近式结构的4位ADC。

本发明的另一个方面，提供一种卫星机接收系统，包括卫星接收机和卫星接收机芯片，所述卫星接收机芯片采用前文记载的所述的卫星接收机芯片

本发明的卫星接收机芯片及卫星机接收系统，是一种低噪声、高集成度、低功耗、小体积的卫星接收机芯片，采用近零中频射频前端拓扑结构，集成时钟锁相环和四路并行射频接收通道，可以同时接收全频点GNSS信号和SBAS信号，四路都可以覆盖1.1GHz～1.7GHz频段的射频信号，且四个通道的带宽和中心频率均可配置，其中前三路并行通道用来接收GNSS卫星信号，第四路通道用来接收SBAS的卫星修正参数。相对于现有技术，本发明采用1颗射频芯片同时完成GNSS卫星信号和SBAS信号的接收，减小了芯片的数量和占用PCB的面积，降低了成本、功耗。

附图说明

图1是一种现有的GNSS接收机前端射频电路示意图。

图2是本发明的卫星接收机芯片结构框图。

图3是本发明的第一路、第二路、第三路并行射频接收通道的结构框图。

图4是本发明的第四路并行射频接收通道的结构框图。

图5是本发明的主动天线装置AANT结构框图。

具体实施方式

本发明的一个方面，提出一种低噪声、高集成度、低功耗、小体积的多通道卫星接收机芯片RF Chip，可以同时接收GNSS信号和SBAS信号。采用近零中频射频前端拓扑结构，集成时钟锁相环和多路并行射频接收通道。多路并行射频接收通道都可以覆盖1.1GHz～1.7GHz频段的射频信号，且多路并行射频接收通道的带宽和中心频率均可配置，多路并行射频接收通道分为两组，第一组并行射频接收通道用来接收GNSS卫星信号，第二组并行射频接收通道用来接收SBAS卫星修正信号。

本实施例的卫星接收机芯片，集成两组并行射频接收通道，其中一组用于接收GNSS卫星信号，另外一组用于接收SBAS卫星修正信号，从而可以实现利用一个射频芯片同时接收GNSS卫星信号和SBAS卫星修正信号。

下文将以第一组并行射频接收通道包括三路并行射频接收通道，第二组并行射频接收通道包括一路并行射频接收通道为例进行说明，但是本发明并不以此为限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行扩展。

如图2、图3和图4所示，本发明的卫星接收机芯片，包括时钟锁相环CLK PLL和四路并行射频接收通道CH1、CH2、CH3、CH4，每一路所述并行射频接收通道的带宽和中心频率均可配置，其中，第一路、第二路、第三路所述并行射频接收通道CH1、CH2、CH3用来接收GNSS卫星信号，第四路CH4所述并行射频接收通道用来接收SBAS的卫星修正参数。

所述卫星接收机芯片的第一路、第二路、第三路所述并行射频接收通道CH1、CH2、CH3的结构相同，均包括：低噪声放大器LNA、混频器MIXER、中频滤波器LPF、可编程增益放大器PGA、自动增益控制电路AGC、模数转换电路ADC以及锁相环电路PLL。

具体地，如图3所示，所述低噪声放大器LNA的输入端用于接收所述GNSS卫星信号。所述锁相环电路PLL的锁相输入端用于接收参考频率，所述锁相环电路PLL的第一本振频率输出端与所述混频器MIXER的第一本振频率输入端相连，所述锁相环电路PLL的第二本振频率输出端与所述混频器MIXER的第二本振频率输入端相连。所述混频器MIXER的第一输入端和第二输入端均与所述低噪声放大器LNA的输出端相连，所述混频器MIXER的第一输出端与所述中频滤波器LPF的第一输入端相连，所述混频器MIXER的第二输出端与所述中频滤波器LPF的第二输入端相连。所述可编程增益放大器PGA的第一输入端与所述中频滤波器LPF的第一输出端相连，所述可编程增益放大器PGA的第二输入端与所述中频滤波器LPF的第二输出端相连。所述模数转换电路ADC的第一输入端与所述可编程增益放大器PGA的第一输出端相连，所述模数转换电路ADC的第二输入端与所述可编程增益放大器PGA的第二输出端相连，所述模数转换电路ADC的第一反馈输出端与所述自动增益控制电路AGC的第一增益输入端相连，所述模数转换电路ADC的第二反馈输出端与所述自动增益控制电路AGC的第二增益输入端相连，所述模数转换电路ADC的锁相端与所述时钟锁相环CLK PLL相连，所述模数转换电路ADC的输出端用于与基带芯片BC相连。所述自动增益控制电路AGC的第一增益输出端与所述可编程增益放大器PGA的第一放大输入端相连，所述自动增益控制电路AGC的第二增益输出端与所述可编程增益放大器PGA的第二放大输入端相连。

具体地，如图4所示，第四路所述并行射频接收通道CH4包括：低噪声放大器LNA、混频器MIXER、第一级可编程增益放大器PGA1和第二级可编程增益放大器PGA2、中频带通滤波器BPF、自动增益控制电路AGC、模数转换电路ADC以及锁相环电路PLL。

具体地，如图4所示，所述低噪声放大器LNA的输入端用于接收所述SBAS卫星修正信号。所述锁相环电路PLL的锁相输入端用于接收参考频率，所述锁相环电路PLL的第一本振频率输出端与所述混频器MIXER的第一本振频率输入端相连，所述锁相环电路PLL的第二本振频率输出端与所述混频器MIXER的第二本振频率输入端相连。所述混频器MIXER的第一输入端和第二输入端均与所述低噪声放大器LNA的输出端相连，所述混频器MIXER的第一输出端与所述第一级可编程增益放大器PGA1的第一输入端相连，所述混频器MIXER的第二输出端与所述第一级可编程增益放大器PGA1的第二输入端相连。所述中频带通滤波器BPF的第一输入端与所述第一级可编程增益放大器PGA1的第一输出端相连，所述中频带通滤波器BPF的第二输入端与所述第一级可编程增益放大器PGA1的第二输出端相连。所述第二级可编程增益放大器PGA2的输入端与所述中频带通滤波器BPF的输出端相连，所述第二级可编程增益放大器PGA2的输出端与所述模数转换电路ADC的输入端相连。所述模数转换电路ADC的锁相端与所述时钟锁相环CLK PLL相连，所述模数转换电路ADC的输出端用于与所述基带芯片BC相连。所述自动增益控制电路AGC的第一增益输出端与所述第一级可编程增益放大器PGA1的第一放大输入端相连，所述自动增益控制电路AGC的第二增益输出端与所述第一级可编程增益放大器PGA1的第二放大输入端相连，所述自动增益控制电路AGC的第三增益输出端与所述第二级可编程增益放大器PGA2的放大输入端相连。

第一路、第二路、第三路、第四路所述并行射频接收通道CH1、CH2、CH3、CH4的常用本振频率配置分别为1584MHz、1192MHz、1242MHz、1545MHz，可以接收全频点卫星信号，包括同时并行接收GPS、Galileo、BeiDou和GLONASS、QZSS、IRNSS的信号，以及部分SBAS信号。各通道常用频点配置可以如下表1所示：

表1各通道常用频点配置

不难理解，各通道常用频点配置除了可以采用上述表1的配置以外，本领域技术人员还可以根据实际需要，对各通道的频点进行其他一些配置。

此外，本发明的卫星接收机芯片，其所支持的主要GNSS信号频点如下表2所示：

表2卫星接收机芯片支持的主要GNSS信号频点

由上述表2不难看出，本发明所提出的卫星接收机芯片，借助多路并行射频接收通道，可以实现接收全频点卫星信号，并且可以同时并行接收GPS、Galileo、BeiDou和GLONASS、QZSS、IRNSS与部分SBAS信号。

本发明的所述卫星接收机芯片具有SPI串行外设总线接口，通过该接口对所述卫星接收机芯片的内部寄存器进行配置，所述SPI串行外设总线接口包括：串行时钟线SCLK、片选信号线CS、数据线SADI，SADO。

参见附图5，本发明通过主动天线装置AANT接收卫星信号。附图5示出了连接第一路并行射频接收通道CH1的主动天线装置AANT，而分别连接第二路、第三路、第四路并行射频接收通道CH2、CH3、CH4的主动天线装置AANT与之结构相同。

主动天线包括接收天线ANT、前置低噪声放大器P-LNA和前置带通滤波器P-BPF。接收天线ANT将接收到的卫星所发射的电磁波信号转变成电压或电流信号，此时信号较弱并且掺杂噪声。将该电压或电流信号先经前置低噪声放大器P-LNA对信号进行放大处理，再经过前置带通滤波器P-BPF滤除卫星波段之外的噪声和干扰。经过前置低噪声放大器P-LNA和前置带通滤波器P-BPF处理后的GNSS射频信号以及SBAS射频信号进入射频芯片。

参见附图3，对于第一路、第二路、第三路所述并行射频接收通道CH1、CH2、CH3中的任意一路，其具体结构为：

GNSS卫星信号输入到所述低噪声放大器LNA进行放大处理后，输出到所述混频器MIXER；

所述混频器MIXER利用第一本振信号LO_I和第二本振信号LO_Q对收到的GNSS卫星信号进行下变频处理，变频后的信号输出到所述中频滤波器LPF；

所述锁相环电路PLL提供所述第一本振信号LO_I和第二本振信号LO_Q的本振频率，默认10MHz晶体振荡器输入；

所述中频滤波器LPF根据设置滤波器带宽，过滤出有用的中频信号，输出到所述自动增益控制电路PGA；

所述可编程增益放大器PGA对接收到的中频信号进行放大，并通过所述自动增益电路AGC控制输出的模拟中频信号稳定在设定的幅度范围内，并将所述模拟中频信号输出给所述模数转换器ADC；

所述模数转换电路ADC对收到的所述模拟中频信号进行数字量化，缓冲输出给基带芯片BC进行解算。

参见附图4，对于第四路所述并行射频接收通道CH4，其具体结构为：

SBAS射频信号输入到所述低噪声放大器LNA进行放大处理后，输出到所述混频器MIXER；

所述混频器MIXER利用第一本振信号LO_I和第二本振信号LO_Q对收到的SBAS射频信号进行下变频处理，变频后的信号输出到所述第一级可编程增益放大器PGA1；

所述锁相环PLL电路提供所述第一本振信号LO_I和第二本振信号LO_Q的本振频率；

所述第一级可编程增益放大器PGA1对接收到的信号进行放大，并通过所述自动增益电路AGC控制输出信号稳定在设定的幅度范围内，信号输出给所述中频带通滤波器BPF。

所述中频带通滤波器BPF根据设置滤波器带宽，过滤出有用的中频信号，输出到所述第二级可编程增益放大器PGA2；

所述第二级可编程增益放大器PGA2对接收到的单端信号进行放大，并通过自动增益电路AGC控制输出的模拟中频信号稳定在设定的幅度范围内，并将所述模拟中频信号输出给所述模数转换电路ADC；

所述模数转换电路ADC对收到的所述模拟中频信号进行数字量化，缓冲输出给基带芯片BC进行解算。

所述的低噪声放大器LNA为宽带低噪声放大器，带宽为1.1GHz-1.7GHz；所述混频器MIXER为无源正交混频器结构，由Gm级、电流驱动的无源开关和跨阻放大器TIA组成；所述锁相环电路PLL的锁相频率合成器基于锁相环结构，包括压控振荡器VCO、高速分频器、双模预分频器、可编程计数器、鉴频鉴相器PFD、电荷泵CP、环路滤波器LPF；所述可编程计数器包括P计数器、S计数器、R计数器。

所述中频滤波器LPF为五阶切比雪夫结构滤波器，带宽为10MHz～40MHz，包含RC和OP模块。

所述中频带通滤波器BPF为五阶切比雪夫结构的复数带通滤波器，带宽为2MHz，包含RC模块、中频移位模块、增益控制模块、OP模块。

所述模数转换器ADC为逐次逼近式结构的可编程4位ADC，采样时钟频率20MHz～110MHz。

本发明的另一个方面，提供一种卫星接收机系统，该系统包括卫星接收机以及卫星接收机芯片，该处理芯片的结构可以参考前文记载的卫星接收机芯片，在此不作赘述。

本实施例的卫星接收机系统，具有前文记载的卫星接收机芯片，其集成两组并行射频接收通道，其中一组用于接收GNSS卫星信号，另外一组用于接收SBAS卫星修正信号，从而可以实现利用一个射频芯片同时接收GNSS卫星信号和SBAS卫星修正信号。

本发明通过上述实施例来说明本发明的详细过程和组成，但是本发明并不局限于上述详细过程和组成。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。