1 关键技能指标剖析
在密集而繁芜的电磁环境中， 为实现吸收机的高灵敏度和大动态范围， 射频吸收模组的设计中必须负责考虑灵敏度和动态范围问题[ 3-4]。
1.1 系统噪声系数与灵敏度
不失落一样平常性， 假设射频吸收模组为一个双端口网络系统， 根据噪声系数的定义， 系统的噪声系数NF 应为：
式中，S 、N 分别表示系统端口的旗子暗记和噪声功率。由于带电粒子的热运动会形成热噪声， 输入端口噪声功率Ni可等效为：
式中，K 为波耳兹曼常数(1.38×10-23 J/K) ，T 为系统绝对温度（290 K） ，B 为系统等效带宽。将式(2) 代入式(1) ， 整理得：
个中，(S/N)o ，min为知足一定误码率条件下解调器所需的最小信噪比，Si (dBm) 表示吸收机的灵敏度。从式(3) 可以看出，吸收机的带宽、噪声系数NF 和最小信噪比(S/N)o，min均会影响其灵敏度。
本射频吸收模组是一个多级系统， 系统的噪声系数NFsys定义为：
式中，NFi代表第i 级的噪声系数，Gi为第i 级的资用功率增益。对付级联系统而言，NFsys基本取决于第一级的噪声系数和增益, 第一级的增益越高， 后级的噪声系数对NFsys的影响就越小。
式(3) 表明， 减小NF 可以提高吸收机的灵敏度。因此从整机最佳噪声系数设计的角度出发， 可将射频吸收模组进一步等效为图1 所示构造。
图1 射频吸收模组等效构造
剖析式(4) 可知， 在知足设计哀求的条件下， 第一级若采取两级低噪声放大器（LNA） 构造， 则整机噪声系数会提高很多。
1.2 系统增益与动态范围
卫星导航接口掌握文件规定：
卫星发射的导航旗子暗记到达吸收机天线输入口的最小担保电平：GPS_L1 为-130 dBm，BDII_B1 为-133 dBm[5]。实际运用中， 天线口的旗子暗记强度还与卫星的高度、仰角以及吸收天线的吸收面积和吸收机所处的事情环境有关， 因此吸收天线口所吸收到的旗子暗记强度是一个动态的变革范围。其余，由于吸收机射频模组的非线性特性，各级输出会存在大量的杂散分量，这些杂散分量若是落入事情带宽内， 将会影响旗子暗记的信噪比。因此，业内定义三阶截点来表征这种非线性特性，同时还定义了无杂散动态范围（SFDR）用于比较不同吸收机的动态特性[6]，SFDR 的表达式为：
式中，MDS 取决于吸收机的灵敏度，IIP3 ，sys根据级联系统的三阶截点定义，表示为：
个中，n 代表第n 级，Gj为第j 级的增益。可以看出，IIP3，sys取决于级联系统中三阶截点最低的那一级。若第j 级的增益较大， 则第j+1 级的三阶截点对系统三阶截点的影响会更大。
吸收模组的ADC 特性取决于系统设计哀求， 吸收链路的总增益依赖于ADC 和天线口热噪声功率。因此在指标分配时， 要使链路具有尽可能低的噪声系数和尽可能高的三阶截点。
2 射频模组的详细设计
2.1 总体框图
卫星导航旗子暗记经由天线、第一级LNA、第二级LNA、二平分功分器后， 分别进入射频通道， 各射频通道对吸收到的卫星旗子暗记进行下变频、中频滤波和放大， 末了送到模/数转换ADC 并输出数字中频旗子暗记。模组的总体框图如图2 所示。
图2 射频吸收模组总体框图
2.2 LNA 电路设计
在设计LNA 时， 紧张考虑噪声系数和增益。为了担保吸收链路具有尽可能低的噪声系数， 同时防止因增益过高而使放大器事情产生自激， 本模组采取两级LNA设计构造。其余， 由于北斗B1/GPS_L1 的载波频率临近，这里将各通道的LNA 级统一处理， 设计成一个通道。LNA1 采取美信公司的MAX2659 芯片，它是一款专用于导航领域的低噪声放大器， 封装尺寸仅为1.5 mm×1.0 mm，在1.5～1.6 GHz 频段具有高达20.5 dB 的增益， 噪声系数低至0.8 dB。LNA2 采取安捷伦公司的MGA85563 芯片， 在1.5～1.6 GHz 频段的增益达18 dB， 噪声系数低至1.6 dB， 三阶截点IP3 可调范围为12 dBm～17 dBm。双LNA 构造的运用电路如图3 所示。
图3 前级LNA 设计电路
2.3 射频电源设计
射频吸收模组涉及LNA、混频器、锁相环（PLL） 、压控振荡器（VCO） 、中频放大器、ADC 等电路， 这些仿照电路对噪声十分敏感， 为它们的正常事情供应的直流电源必须在知足压差的条件下具备低噪声、高电源纹波抑制比（PSRR） 和快速瞬态相应特性[7]。LDO （Low DropoutRegulator ） 是一种微功耗的低压差线性稳压器， 其具有较好的输出噪声和较高的电源抑制比， 因此特殊适用于射频电源的设计。
根据LDO 的事情事理，LDO 的输出噪声受其内部设计和外部旁路、补偿电路的影响。个中LDO 的基准源是其输出噪声的紧张来源。为降落基准源的噪声影响， 必须利用连接基准源的旁路电容。增大旁路电容能够减少基准源的输出噪声， 但旁路电容值的增大， 也会导致LDO 的输出电压上升速率变慢， 影响射频模组的正常供电， 利用时须要把稳。LDO 的输出电容值也必须与负载匹配， 这样既有利于提高电源的快速瞬态相应特性， 又有利于降落LDO 的高频输出噪声。
本文选用TI 的TPS793XX 系列芯片， 它是一款专用于射频领域的LDO， 在10 kHz 频率处具有高达70 dB 的PSRR， 输出噪声低至32 μVRMS， 相应韶光为50 μs， 压差低至112 mV。以GPS 通道为例，其电源电路如图4 所示。
图4 GPS 通道的电源设计电路
2.4 参考时钟晶振电路设计
本射频吸收模组中ADC 采样与下变频器利用的是同一参考时钟， 时钟晶振输出的频率偏差会通报给下变频器输出的中频旗子暗记， 此时再利用带有频偏的采样时钟就会造成数据位的移位、伪码相位偏移、多普勒频移值估算偏差增大。因此， 担保频率稳定度、减少相位噪声是晶振电路设计的关键。本模组选用了0.5 ppm 的TCXO，并经SN74LVC1G04 整形输出。晶振的供电部分为防止电源噪声和地电位的跳跃， 采取了滤波和去耦电路， 这里利用村落田公司BLM15 系列的铁氧体磁珠， 简化供电滤波电路的设计。晶振部分的设计电路如图5 所示。
图5 晶振部分的设计电路
2.5 底层驱动设计
本射频模组采取两片美信的MAX2769B 射频芯片，芯片本身支持GPS_L1、GLONASS_L1、GALIEO_E1、BDII_B1频段， 片内集成LNA、混频器、镜像抑制滤波器、PGA、VCO、N 分频频率合成器、晶体振荡器和多位ADC。在设计时须要根据导航旗子暗记的特性设置相应的配置寄存器。
本文利用Verilog 措辞编写了4 组与导航系统对应的驱动程序。以北斗B1 的驱动程序为例， 利用ModelSim 对驱动程序进行仿真， 如图6 所示。
图6 北斗B1 驱动程序的时序仿真
2.6 pcb 设计
影响射频吸收模组灵敏度的成分除了前述内容，pcb 设计也不容忽略， 如射频路径、射频接地、射频电源pcb、中频输出数据线都须要负责考虑。
由于射频旗子暗记的趋肤效应，射频路径及晶振参考时钟路径必须知足3 W 原则， 同时还要匹配到50 Ω。不良的射频接地也会导致寄生噪声、不期望的耦合和滋扰增加， 设计时除了正常的接地路径要知足最短原则外，还须要关注各级放大器链上的直流供电和直流偏置端口，这些分外接地端口的阻抗对互换或射频电流必须靠近于零， “ 零” 电容、“ 无穷大” 电感对付这些接地是一种很好的赞助手段。
晶振、电源是射频模组中的两大紧张滋扰源， 电源部分的pcb 设计除了前述的内容， 还要担保完全的参考电源层和地层， 两者之间的间距应尽可能短， 以提高电路板噪声耦合性能。本模组采取T -G-P -B 板层构造； 晶振部分除了要阔别射频路径以外， 供电端口要增大供电线宽以降落耦合噪声。
3 射频模组的测试剖析
3.1 模组的功能指标测试
功能指标测试涉及电源纹波、噪声系数、三阶截点和增益， 测试结果见表1。天线口噪声功率谱密度的测试结果如图7 所示。
图7 模组噪声功率谱密度测试结果
3.2 模组的运用测试
模组的运用测试涉及工机与商用合芯星通吸收机、泰斗微吸收机进行定位性能比较。这里以北斗的B1 旗子暗记测试为例， 测试结果如图8所示。
图8 测试结果
测试结果表明， 本文设计的射频吸收模组捕获的卫星个数比实验室商用RX3007 模组多， 输出的旗子暗记载噪比都比其他商用吸收机高一些， 定位经纬度与商用RX3007 模组差不多， 比其他商用吸收机的性能稍好。
双模或多模卫星导航吸收机可以减少卫星导航旗子暗记被滋扰或遮挡的可能，同时还能减少卫星分布的几何因子提高吸收机的定位精度。本文设计的北斗和GPS双模兼容射频吸收模组有着广阔的运用前景，同时还有利于当前北斗民用市场的推广及运用。本文针对多模导航吸收机的运用， 提出了射频吸收模组的设计方案， 详述了详细的设计履历，并进行了功能和运用性能的测试。测试结果表明模组性能良好， 事情稳定，可直接应用于当前多模导航吸收机的研究中。
（本文授权转载自射频百花潭微信公众号，作者：朱常其孙希延等）
