黃芳 李濤 何玉梅

摘要：介紹了北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)北斗三號(hào)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(hào)基帶芯片、射頻芯片的硬件電路設(shè)計(jì)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(jì)框架和方法，該方法已得到實(shí)物驗(yàn)證，在多平臺(tái)已推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：北斗三號(hào);多模多頻;北斗模塊

0引言

衛(wèi)星導(dǎo)航是人類共有的財(cái)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(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗三號(hào)衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)重要的時(shí)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(diǎn)，是我國(guó)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(guó)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(guó)秉承“獨(dú)立自主、團(tuán)結(jié)協(xié)作、攻堅(jiān)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(hào)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(shí)短報(bào)文功能在BDS-3中進(jìn)行了保留繼承和容量擴(kuò)展（較BDS-2提升近10倍，最長(zhǎng)1000個(gè)漢字），標(biāo)志著北斗三號(hào)建成了完整系統(tǒng)（3GEO衛(wèi)星+3IGSO衛(wèi)星+24MEO衛(wèi)星），北斗邁進(jìn)全球服務(wù)新時(shí)代，為全球用戶提供服務(wù)。

北斗三號(hào)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(shí)、全球短報(bào)文通信、區(qū)域短報(bào)文通信、國(guó)際搜救、星基增強(qiáng)、地基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位共7類服務(wù)，是功能強(qiáng)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(cè)速精度優(yōu)于0.2米/秒、授時(shí)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(yùn)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(guó)家核心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

1總體設(shè)計(jì)

北斗三號(hào)模塊可實(shí)現(xiàn)北斗三號(hào)RNSS信號(hào)接收、RDSS及全球短報(bào)文信號(hào)接收與發(fā)射，完成北斗三號(hào)RNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位、授時(shí)等功能，同時(shí)具備RDSS應(yīng)急搜救、定位報(bào)告、報(bào)文通信等功能。北斗三號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)的收發(fā)功能。RX3701包含四個(gè)接收通道和一個(gè)發(fā)射通道，支持RNSS信號(hào)的接收和RDSS信號(hào)的收發(fā)?；鶐Р糠植捎镁C合基帶芯片及外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)處理，同時(shí)增加溫度傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hào)模塊設(shè)計(jì)框圖

1.1射頻電路設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的下變頻處理和發(fā)射信號(hào)的上變頻處理，同時(shí)輸出基帶芯片所需的基準(zhǔn)時(shí)鐘。該芯片包含四個(gè)接收通道和一個(gè)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(hào)接收和RDSS 短報(bào)文信號(hào)收發(fā)，支持所有北三的RNSS和RDSS頻點(diǎn)，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(jī)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(jī)鏈路。根據(jù)接收和發(fā)射頻率來(lái)設(shè)計(jì)RX3701的通道配置，通道一配置B3頻點(diǎn)，通道二配置B1、L1以及GLO G1頻點(diǎn)，通道三配置全球短報(bào)文B2b頻點(diǎn)，通道四配置成RDSS的接收頻點(diǎn)，發(fā)射通道同時(shí)支持LF0-LF5頻點(diǎn)。

1） 接收鏈路設(shè)計(jì)

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

2） 發(fā)射鏈路設(shè)計(jì)

由基帶芯片輸出RDSS的BPSK信號(hào)經(jīng)過(guò)RX3701上變頻為L(zhǎng)發(fā)射信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(guò)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(bào)文不同功能需求進(jìn)行設(shè)置。

圖 2北斗三號(hào)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(bǔ)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(hào)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(jì)

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(shí)輸出等處理。信號(hào)從射頻前端電路到射頻芯片，射頻芯片進(jìn)行下變頻后到達(dá)基帶芯片進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)捕獲、跟蹤、解調(diào)、解擴(kuò)、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(hào)系統(tǒng)RNSS、RDSS 和全球短報(bào)文業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)RNSS 體制的定位、測(cè)速、授時(shí)等功能和RDSS 短報(bào)文功能/指揮功能?；鶐酒詭?2位ADC內(nèi)核，可以同時(shí)接收四路IQ模擬中頻信號(hào)，對(duì)應(yīng)RX3701輸出的四路模擬中頻信號(hào)，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(jìn)行外圍電路的設(shè)計(jì)與擴(kuò)展。

基帶芯片外圍電路的主要設(shè)計(jì)有：外接一個(gè)128Mbit的SPI flash，同時(shí)在外圍擴(kuò)展一個(gè)1Gb的LPDDR芯片來(lái)增加系統(tǒng)內(nèi)存;對(duì)于RTC功能，北斗三號(hào)模塊設(shè)計(jì)有超低功耗RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，該芯片內(nèi)置32.768KHz晶振，在-40℃～+85℃下穩(wěn)定度可以達(dá)到±2ppm，并且能夠自動(dòng)調(diào)整時(shí)鐘精度;為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)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(dá)0.0625℃。

因射頻通道及基帶模塊對(duì)時(shí)鐘頻率精度都有很高的要求，時(shí)鐘設(shè)計(jì)上采用兩路晶振給模塊提供時(shí)鐘，其中一路20MHz晶振給基帶芯片提供系統(tǒng)時(shí)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(dá)到±0.28ppm 的10MHz的VCTCXO給RX3701射頻芯片提供時(shí)鐘參考，在射頻芯片內(nèi)部通過(guò)PLL生成五個(gè)通道的本振信號(hào)，同時(shí)生成62MHz的采樣時(shí)鐘提供給基帶芯片內(nèi)部ADC及基帶模塊做信號(hào)處理。

1.3 接口

北斗三號(hào)模塊設(shè)計(jì)有多種對(duì)外接口，包含板卡調(diào)試的JTAG接口和對(duì)外接口。JTAG接口用于基帶芯片在線調(diào)試;對(duì)外接口電路包含三組串口、電源、秒脈沖等。電源設(shè)計(jì)為通用的+5V電源供電，串口設(shè)計(jì)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(wú)校驗(yàn)。接口協(xié)議按標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183格式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息輸入輸出，3個(gè)接口功能一樣，均可用于與用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，均可以直接連接至計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件對(duì)模塊進(jìn)行指令操作。模塊設(shè)計(jì)出1路RS485電平秒脈沖信號(hào)，在整秒的時(shí)刻輸出脈沖信號(hào)，方便用戶進(jìn)行對(duì)時(shí)校時(shí)使用，授時(shí)精度在50ns范圍內(nèi)（95%）。

1.4電源設(shè)計(jì)

北斗三號(hào)模塊的電源管理設(shè)計(jì)是本方案中的一個(gè)重要組成部分，電源管理設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)使用DC-DC進(jìn)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(jī)的電源效率，優(yōu)化整機(jī)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(duì)射頻性能的影響。外部輸入的5V電源通過(guò)各個(gè)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(wú)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(yǔ)

本文選用通用的射頻芯片、基帶芯片設(shè)計(jì)出一款功能強(qiáng)大的北斗三號(hào)模塊，實(shí)現(xiàn)支持接收北斗三號(hào)多模多頻衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，實(shí)現(xiàn)全球定位導(dǎo)航和短報(bào)文服務(wù)。其RNSS定位精度可達(dá)單頻水平≤8m，高程≤9m（95%），雙頻水平≤4m，高程≤6m（95%）、授時(shí)精度≤50ns（95%）、測(cè)速精度≤0.2m/s（95%）、短報(bào)文通信單次傳輸數(shù)據(jù)量等指標(biāo)較北斗二號(hào)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(tái)，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(dòng)北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的深度應(yīng)用提供了重要的價(jià)值。