北斗一体化导航模块终端设计实现

随着全球四大卫星导航系统的格局形成，北斗导航系统的应用及发展前景政策逐渐明朗化，北斗导航终端设备已经从分立元件逐步向集成化和芯片化方向发展。但是，如何解决北斗终端设备体积大、成本高、功耗大和可靠性低等诸因素的限制呢？

北斗卫星导航系统从2000年发射系统卫星至今在军民领域的广泛应用，一直处于从研究到应用转化过程中，现在正在从试验应用型向业务服务型转变。卫星应用已成为经济建设、社会发展和政府决策的重要支撑。根据《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》和《航天发展"十一五"规划》的内容，将会加快形成建立以北斗卫星导航系统为核心的民用导航产业体制；促进北斗卫星导航系统的产业化应用；对于涉及国家经济、公共安全的重要行业领域须逐步过渡到采用北斗卫星导航兼容其它卫星导航系统的服务体制，鼓励其他行业和领域采用北斗卫星导航兼容其它卫星导航系统的服务体制；大力推动卫星导航运营业的规模化、规范化发展；鼓励自主知识产权卫星导航接收芯片、关键元器件、电子地图、用户终端等产品的标准化和产业化。到2020年，完成应用卫星从试验应用型向业务服务型转变，地面设备国产化率达80%。

北京广嘉电子作为北斗导航产业链中厂商中的一员，利用自身在芯片设计和北斗行业的经验，在业界首先推出了成本低、体积小、芯片化、功耗低、高集成度化和高可靠性的北斗一代一体化模块终端解决方案。该设计方案是基于北京广嘉电子设计的北斗一代射频芯片BG-DB-2416CX和上海复控复华基带芯片“领航一号”的北斗一代终端整合设计，包括了低噪放大器和功率放大器部分，解决了北斗终端设备的尺寸、功耗、特性及价格等诸多设计挑战。

广嘉北斗一体化方案总体设计

广嘉北斗一体化模块方案由基带芯片“领航一号”、射频芯片“BG-DB-2416CX”、低噪放大器和功率放大器组成(图1)，主要实现的功能是通过配置外设在北斗系统中心站的支持下完成定位和通信任务，同时兼有授时功能。模块通过配置的接收天线将收到的北斗卫星信号送入40dB的低噪放大器放大，然后送入射频芯片BG-DB-2416CX进行下变频处理转换成中频信号，再经过片内A/D量化后输出送入基带芯片。基带芯片进行信号解密及脱格式处理，用户返回给用户中心站的信息按规定格式形成入站格式，并经加密、编码、扩频后形成待发数据。发射信号通过功率放大器放大后，由发射天线发射出去。模块的应用控制通过控制接口外接配置来实现。图2是该北斗一体化方案的原理示意图。

图1：广嘉电子北斗一体化模块效果图。

图2：广嘉电子北斗一体化方案原理示意图。

1．射频部分

射频芯片采用北京广嘉创业电子自主研发的BG-DB-2416CX射频芯片(北斗一代接收/发射芯片)。它仅需少量的外部元件就可实现北斗一代射频信号的接收和发射功能。该芯片集成了接收通道和发射通道，以及接收发射频率综合器，接收通道采用两次变频结构，首先把射频信号下变频到第一中频，然后再通过正交混频器产生最终的正交中频信号12.24MHZ。发射通道采用直接调制结构，可直接处理TTL电平输入信号，并将其调制到所需的载波频率上，从而完成发射功能。

A、接收部分

天线接收的射频信号(≥-127dBm)通过片外配置的低噪声放大器LNA(≥30db)放大，使之符合芯片RX IN引脚的信号电平范围-100~-50dBm的射频信号。片内前端由低噪放和混频器组成，放大射频输入信号下变频到第一中频信号213.17MHZ。此时，外接中频滤波器滤掉带外干扰信号和来至中频信号的镜像信号，通常采用SAW和LC滤波器。第二级变频将213.17MHZ的中频信号变为12.24MHZ , 通过ADC转换为量化信号。通过可变增益放大器VGA和低通滤波器LPF 完成1dB 步进增益控制。片内接收含有三级放大、两次变频、滤波，其输出为幅度为4dBm±2dBm的12.24MHZ中频信号。芯片内三级放大增益范围为41~113 dB，增益可调。然后信号被AD进行量化处理后送入基带处理单元。中频输出信号强调增益稳定性，以满足AD器件的量化等级控制、输入信号的动态范围要求并抑制脉冲干扰。

B、发射部分

芯片将LVTTL输入码流首先转成差分模拟信号，采用混频器将基带信号直接调制到双带射频RF信号，混频器后采用8ｄＢ增益范围的射频衰减器(ATT)调整射频信号，然后通过预功放电路用以驱动外置功放PA,使芯片输出的1615.68MHZ信号幅度在5.8~13.8ｄＢm。

在芯片中由于收、发的信号均为高速率调制的数字信号，因此对频综的相位噪声有严格的要求。本振频率的准确度和稳定度直接影响解调终端接收门限和误码率。在发射电路中，对载波频率的要求为5×10－7，对应的发射载波频偏分别为±0.81kHz。为满足频综的相噪要求，除选用低相噪参考晶振外，减小锁相环分频比、合理设计了关键环路滤波参数。

C、低噪放/功放

一体化模块中采用高增益、低噪声、超小型低噪放。低噪放对发射频率点的接频点抑制度达到110 dBc，因此带有窄带滤波器，滤波带宽≥±10MHz，只有达到此指标，才能有效防止发射信号串入接收通道。低噪放前端采用滤波器，防止发射频率的发射功率串入接收放大器中导致阻塞。采用一级场放和两级单片放大器，场放采用ATF-FET,在2.5GHZ、工作电流10mA下，完全能满足要求，单片放大器采用MAX单片放大器工作电流7mA左右，噪声系数小于2.5 dB，两级单片放大器满足较大的增益余量。国外进口的陶瓷滤波器是专为该频段设计的，其主要参数指标如下：中心频率fo、带宽±50MHz，常温下的插损2.5dB，对发射频率点的衰减≥50dB。在电路设计中，为了确保在整个工作温度范围内满足任务指标要求，滤波器的最大插损假设为3.5dB。

图3：一体化模块功放采用进口功放管自行设计的AB类10W功放。

基带部分

基带部分采用北斗一代基带芯片。该芯片集成了10个独立的数字接收通道和一个发射通道，可完成北斗卫星基带信号的接收处理和发射基带信号的生成。基带处理芯片采用CMOS 0.18um工艺，内嵌一个16位定点数字信号处理器作为处理引擎，具有丰富的接口资源，可以通过多种接口跟上位机进行交互，方便扩展应用。其外设包括一个支持六个独立通信上下文的DMA、SPI 接口、两个通用串行接口，此外还包括两个通用定时器、8 个通用输入输出口、锁相环时钟发生器。

图4：北斗一代“领航一号”基带芯片的结构方框图。

3、外设接口及功能

此接口采用30(2*15) Pin 插针输出。接收通道输入：SMA。发射通道输出：SMA。电源：3.6～4.2V。外设接口定义如下表。

外设接口定义。

本文小结

对于那些目前仍然还采用分立器件或者多芯片来实现北斗导航终端射频和数字设计的工程师们来说，广嘉电子推出的业界首款全集成北斗收发射通道和基带所有功能的北斗一体化终端方案，解决了所有公司及设计工程师面临的设计难题。该一体化模块方案集成了低噪声放大器、功率放大器、上下变频通道(BG-DB-2416CX)和基带部分的功能，非常适合于那些技术实力不强或者节约研发成本的公司进行二次开发应用。该方案适合于北斗系统终端各种机型，如车载、舰载、指挥监控型、手持、授时等机型。

供稿：北京广嘉创业电子技术有限公司