一種多模多頻北斗三號模塊的設(shè)計

黃芳 李濤 何玉梅

摘要：介紹了北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為了實現(xiàn)北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的深入應(yīng)用，本文提出了一種基于北斗三號基帶芯片、射頻芯片的硬件電路設(shè)計方案。詳細(xì)介紹了射頻電路、基帶電路、接口電路、電源電路的硬件設(shè)計框架和方法，該方法已得到實物驗證，在多平臺已推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：北斗三號;多模多頻;北斗模塊

0引言

衛(wèi)星導(dǎo)航是人類共有的財富，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一直以向全世界提供服務(wù)作為終極追求，具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗三號衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是我國重要的時空信息基礎(chǔ)設(shè)施，具有精度高、靈敏快速、全天候、全覆蓋等特點，是我國電子信息系統(tǒng)的重要組成部分。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system， BDS）作為中國唯一、世界第三的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system， GNSS）4大成員之一，是我國秉承“獨立自主、團結(jié)協(xié)作、攻堅克難、追求卓越”北斗精神的智慧結(jié)晶。2020年7月底北斗三號全球組網(wǎng)，形成全球覆蓋能力，并完成全球?qū)Ш蕉ㄎ环?wù)功能，同時短報文功能在BDS-3中進行了保留繼承和容量擴展（較BDS-2提升近10倍，最長1000個漢字），標(biāo)志著北斗三號建成了完整系統(tǒng)（3GEO衛(wèi)星+3IGSO衛(wèi)星+24MEO衛(wèi)星），北斗邁進全球服務(wù)新時代，為全球用戶提供服務(wù)。

北斗三號具備導(dǎo)航定位和通信數(shù)傳兩大功能，可提供定位導(dǎo)航授時、全球短報文通信、區(qū)域短報文通信、國際搜救、星基增強、地基增強、精密單點定位共7類服務(wù)，是功能強大的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。全球范圍定位精度優(yōu)于10米、測速精度優(yōu)于0.2米/秒、授時精度優(yōu)于20納秒、服務(wù)可用性優(yōu)于99%，亞太地區(qū)性能更優(yōu)。目前北斗系統(tǒng)已全面服務(wù)交通運輸、公共安全、救災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林牧漁、城市治理等行業(yè)，融入電力、金融、通信等國家核心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

1總體設(shè)計

北斗三號模塊可實現(xiàn)北斗三號RNSS信號接收、RDSS及全球短報文信號接收與發(fā)射，完成北斗三號RNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位、授時等功能，同時具備RDSS應(yīng)急搜救、定位報告、報文通信等功能。北斗三號模塊硬件主要是由射頻部分、基帶部分、接口以及電源構(gòu)成。射頻部分采用RX3701射頻芯片來實現(xiàn)導(dǎo)航信號的收發(fā)功能。RX3701包含四個接收通道和一個發(fā)射通道，支持RNSS信號的接收和RDSS信號的收發(fā)。基帶部分采用綜合基帶芯片及外圍電路來實現(xiàn)導(dǎo)航信號處理，同時增加溫度傳感器來實時監(jiān)測板卡、基帶芯片及授權(quán)模塊芯片的溫度。電源部分主要是為各功能模塊芯片提供穩(wěn)定的供電。

圖 1 北斗三號模塊設(shè)計框圖

1.1射頻電路設(shè)計

射頻部分以射頻芯片RX3701為主體，并增加射頻前端電路構(gòu)成，用于實現(xiàn)接收信號的下變頻處理和發(fā)射信號的上變頻處理，同時輸出基帶芯片所需的基準(zhǔn)時鐘。該芯片包含四個接收通道和一個發(fā)射通道，是一款四收一發(fā)的多模多頻射頻芯片，支持GNSS 導(dǎo)航信號接收和RDSS 短報文信號收發(fā)，支持所有北三的RNSS和RDSS頻點，性能優(yōu)異。RNSS 接收通道工作頻率覆蓋1.15GHz～1.65GHz，RDSS 接收工作頻率為2.483GHz～2.5GHz，發(fā)射工作頻率覆1.61GHz～1.68GHz。

RX3701 具備極高的性能和集成度。芯片集成了包括低噪聲放大器、下變頻混頻器、濾波器、可編程放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和鎖相環(huán)在內(nèi)的完整接收機鏈路，以及濾波器，上變頻混頻器，功率預(yù)放大器在內(nèi)的完整發(fā)射機鏈路。根據(jù)接收和發(fā)射頻率來設(shè)計RX3701的通道配置，通道一配置B3頻點，通道二配置B1、L1以及GLO G1頻點，通道三配置全球短報文B2b頻點，通道四配置成RDSS的接收頻點，發(fā)射通道同時支持LF0-LF5頻點。

1） 接收鏈路設(shè)計

天線接收到的衛(wèi)星信號經(jīng)過前端寬帶LNA放大后接入模塊輸入端，經(jīng)過兩級功分，頻率覆蓋范圍從1176.45MHz至2491.75MHz，并通過不同頻點的SAW濾波后變成四路接收信號輸入到RX3701射頻芯片。在RX3701內(nèi)進行下變頻輸出四路模擬中頻信號提供給基帶芯片進行處理。對RX3701四個通道配置不同的本振頻率，以實現(xiàn)所有北三的RNSS、RDSS頻點的接收。

2） 發(fā)射鏈路設(shè)計

由基帶芯片輸出RDSS的BPSK信號經(jīng)過RX3701上變頻為L發(fā)射信號，經(jīng)過衰減器、SAW濾波器及LNA放大后輸出給功放發(fā)射出去。射頻芯片默認(rèn)輸出功率約為0dBm。RX3701的射頻輸出功率有24dB的可調(diào)范圍，通過軟件可以調(diào)整模塊的輸出功率，功率根據(jù)RDSS或全球短報文不同功能需求進行設(shè)置。

圖 2北斗三號模塊發(fā)射鏈路框圖

為了保證高低溫下輸出功率一致性，選用溫度補償衰減器，在-55～150℃中衰減量溫度系數(shù)不大于0.005 dB/dB/℃。發(fā)射鏈路的信號放大選用FW1112 高線性低噪聲放大器，工作頻率范圍700MHz～4000MHz。

1.2基帶電路設(shè)計

基帶芯片負(fù)責(zé)模塊的中頻AD轉(zhuǎn)換、電文解析、接口控制、授時輸出等處理。信號從射頻前端電路到射頻芯片，射頻芯片進行下變頻后到達基帶芯片進行衛(wèi)星信號捕獲、跟蹤、解調(diào)、解擴、位同步、幀同步、譯碼及PVT解算等處理，輸出定位信息。該芯片支持北斗三號系統(tǒng)RNSS、RDSS 和全球短報文業(yè)務(wù)，實現(xiàn)RNSS 體制的定位、測速、授時等功能和RDSS 短報文功能/指揮功能。基帶芯片自帶12位ADC內(nèi)核，可以同時接收四路IQ模擬中頻信號，對應(yīng)RX3701輸出的四路模擬中頻信號，基帶芯片自帶多種IO接口，包含多路高速串口、SPI、I2C及GPIO等接口，方便進行外圍電路的設(shè)計與擴展。

基帶芯片外圍電路的主要設(shè)計有：外接一個128Mbit的SPI flash，同時在外圍擴展一個1Gb的LPDDR芯片來增加系統(tǒng)內(nèi)存;對于RTC功能，北斗三號模塊設(shè)計有超低功耗RTC實時時鐘芯片，該芯片內(nèi)置32.768KHz晶振，在-40℃～+85℃下穩(wěn)定度可以達到±2ppm，并且能夠自動調(diào)整時鐘精度;為了能夠?qū)崟r監(jiān)測模塊及芯片的工作溫度，掌握模塊的工作狀態(tài)，增加溫度傳感器芯片，該芯片工作范圍–50°C 至150°C，分辨率最高可達0.0625℃。

因射頻通道及基帶模塊對時鐘頻率精度都有很高的要求，時鐘設(shè)計上采用兩路晶振給模塊提供時鐘，其中一路20MHz晶振給基帶芯片提供系統(tǒng)時鐘，保證內(nèi)部ARM系統(tǒng)能夠正常工作。另外一路頻率穩(wěn)定度可以達到±0.28ppm 的10MHz的VCTCXO給RX3701射頻芯片提供時鐘參考，在射頻芯片內(nèi)部通過PLL生成五個通道的本振信號，同時生成62MHz的采樣時鐘提供給基帶芯片內(nèi)部ADC及基帶模塊做信號處理。

1.3 接口

北斗三號模塊設(shè)計有多種對外接口，包含板卡調(diào)試的JTAG接口和對外接口。JTAG接口用于基帶芯片在線調(diào)試;對外接口電路包含三組串口、電源、秒脈沖等。電源設(shè)計為通用的+5V電源供電，串口設(shè)計為3路RS232電平串口，默認(rèn)波特率115200bps，1位起始位，1位停止位，8位數(shù)據(jù)位，無校驗。接口協(xié)議按標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183格式實現(xiàn)導(dǎo)航信息輸入輸出，3個接口功能一樣，均可用于與用戶進行數(shù)據(jù)交互，均可以直接連接至計算機應(yīng)用軟件對模塊進行指令操作。模塊設(shè)計出1路RS485電平秒脈沖信號，在整秒的時刻輸出脈沖信號，方便用戶進行對時校時使用，授時精度在50ns范圍內(nèi)（95%）。

1.4電源設(shè)計

北斗三號模塊的電源管理設(shè)計是本方案中的一個重要組成部分，電源管理設(shè)計目的是為模塊的射頻芯片、晶振、基帶芯片等提供穩(wěn)定可靠、高效的電源。設(shè)計時使用DC-DC進行大跨度的電壓轉(zhuǎn)換，盡量減小LDO的轉(zhuǎn)換壓降，以提高整機的電源效率，優(yōu)化整機功耗指標(biāo);使用LDO為模擬電源和晶振、射頻芯片等噪聲敏感器件供電，以降低模擬電上的噪聲，降低對射頻性能的影響。外部輸入的5V電源通過各個DC-DC及LDO轉(zhuǎn)換1.1V、1.2V、1.8V、3.3V等電壓，分別給基帶芯片、射頻芯片及外圍電路供電。由于基帶芯片所需的內(nèi)核電壓，電壓值低但需要較高的峰值電流，所以這部分的電路采用DCDC的電源芯片，而射頻部分的電源要求電源比較平穩(wěn)且無大的紋波，所以選用LDO穩(wěn)壓芯片為射頻部分供電。

2結(jié)束語

本文選用通用的射頻芯片、基帶芯片設(shè)計出一款功能強大的北斗三號模塊，實現(xiàn)支持接收北斗三號多模多頻衛(wèi)星導(dǎo)航信號，實現(xiàn)全球定位導(dǎo)航和短報文服務(wù)。其RNSS定位精度可達單頻水平≤8m，高程≤9m（95%），雙頻水平≤4m，高程≤6m（95%）、授時精度≤50ns（95%）、測速精度≤0.2m/s（95%）、短報文通信單次傳輸數(shù)據(jù)量等指標(biāo)較北斗二號產(chǎn)品均有著較大幅度的提升。本產(chǎn)品的研制可應(yīng)用在民用船舶、汽車、手持、固定站等平臺，可用戶提供高精度高可靠性的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)，為全面推動北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的深度應(yīng)用提供了重要的價值。