摘  要： 设计了卫星导航接收机射频前端部分，介绍了以RX3605芯片为基础的导航接收机射频前端的组成及工作原理，同时对RX3605芯片的内容和应用特点进行了介绍。完成了以GPS L1/BD B2双频点双通道的卫星导航接收机射频前端的电路的集成设计。通过相关计算，估算出了射频前端接收链路的载噪比，通过实验对其可靠性进行了验证。本设计的射频前端模块高度集成，使得导航接收机变得更加小巧、灵活。
关键词： RX3605；GPS L1；BD B3；卫星导航

1 射频前端模块
1.1 射频前端的组成
　射频（RF）模块通过天线接收所有可见GPS/北斗卫星信号，经前置滤波器和放大器的滤波放大后，再与本地振荡器产生的正弦波进行混频而下变频成中频（IF）信号，最后经模数（A/D）转换器将中频信号转变成离散时间的数字中频信号。它位于接收机天线与基带数字信号处理模块之间，将接收到的射频模拟信号离散成包含有GPS信号成分、频率较低的数字中频信号，并在此过程中进行必要的滤波和增益控制[1]。常见射频前端处理如图1所示。

1.2 低噪声放大器（LNA）
　GPS卫星使用C/A码调制后的卫星L1载波向地面接收用户发射信号。由于卫星工作的特殊性，其在发射信号时的功率一般都很有限，大约在21.9 W以上。而这些卫星信号要到达接收机，需要经过大气信号衰减-2.0 dB、极化失配损失-3.4 dB、空间信号衰减-2.0 dB等损耗。因此，接收机通过天线接收到的信号功率很弱，地面接收到的最小信号强度为-158 dBW~-160 dBW[2]，根据规定，最大信号强度约为-153 dBW。
接收机只有对接收到的微弱信号进行放大处理后，才能够将信号再继续进行后续的处理。低噪声放大器是接收机射频前端模块的重要组成部分，它能够在保证足够低的噪声控制的同时，直接接收天线信号并提供信号的放大。LNA紧接天线，其噪声性能相当重要，它关系到整个射频模块的噪声指数，一个具有高增益的低噪声放大器应该设计部署在射频前端信号处理的初级阶段。LNA的性能指标包括增益、噪声系数、稳定性、线性度、动态范围和带宽等。常见的能提供电阻性输入阻抗的LNA结构主要有：输入端并联电阻共源放大器、并-串联负载放大器、共栅放大器以及源极负反馈电感共源放大器。
1.3 带通滤波器（BPF）
　GPS信号中既有L1载波信号，还有L2载波信号。对于L1单频民用接收机来说，必须通过各级滤波器滤除其中L2载波信号，才能最终解算出L1信号中的有效信息。
1.4 混频器（Mixer）
　混频即称变频，是频率变换的一个过程，它能将信号从某一频率搬移到另一频率，得到目标信号频率。混频器是指产生的振荡频率为两个输入振荡或信号频谱分量中的频率的整数倍的线性组合的非线性器件。在接收系统中，接收机接收到的BPSK信号频率为1 575.42 MHz左右，如果直接在此基础上对信号进行处理难度很大，需要把射频信号下变频为较低的中频信号。作为混频结果，中频信号不仅保留着原来射频信号的GPS信息和数据，而且它更适于采样。
1.5 可变增益放大器（AGC）
　自动增益控制也是射频前端的重要组成部分，它的作用是当输入信号电压变化很大时，保持射频前端输出电压值的稳定。作为一种反馈控制环路，其基本的组成为AGC检波、低通滤波、直流放大3个部分。
1.6 模数转换器（ADC）
　射频前端的最后部分是模数转换，其作用是将前面混频、滤波和放大处理后的模拟信号转换成数字信号。ADC的性能指标主要包括带宽、分辨率和功耗。对于一个n位的ADC而言，它的分辨率等于2n，对于RX3605而言，其ADC部分的分辨率为16，位数越多的ADC其具有的分辨率越高。
2 RX3605芯片应用
2.1 RX3605简介
　RX3605采用0.13 μm RFCMOS制作工艺，集成度极高，其具有双接收通道，可以并行接收BD2 B1/GPS L1+BD2 B2/B3。其中B1/L1组成一个可切换工作通道，B2/B3组成一个可切换通道且两个通道独立工作，支持单通道模式。卫星信号通过天线和巴伦后输入到RX3605，RX3605输出一个8 bit的数字中频信号。RX3605采用5 mm×5 mm QFN40封装，工作电压为1.8 V~3.3 V，双通道电流典型值为65 mA。RX3605包括具有镜频抑制功能的混频器（Mixer）、中频带通滤波器（BPF）滤波、可变增益放大器（AGC）、模数变换器（ADC）、压控振荡器、小数分频锁相环和低压差线性稳压器（LDO）等电路，仅需很少的外围元器件即可工作。
2.2 RX3605内部结构与工作原理
　RX3605内部结构图如图2所示。

　RX3605具有多通道、多频点工作的特性。以GPS L1信号为例，卫星信号中不仅掺杂着噪声，而且在信号波段内外还可能存在着各种有意或无意的干扰信号。RX3605接收从卫星发射的L1信号，通过片外声表滤波器对信号进行初级处理，滤除频谱以外的杂散和干扰，而后信号进入芯片中的低噪声放大器，对信号功率进行放大处理，再经过混频器，对信号下变频，使信号频率降低，经过中频带通滤波器滤波，滤除卫星信号中的非L1载波成分，再通过可变增益放大器和4 bit模数转换器电路，最终量化成15.58 MHz的数字中频信号输出给基带芯片。
2.3 RX3605电路应用
　RX3605应用原理图如图3所示。

　本设计采用GPS L1与BD B2双通道双频点工作模式。射频信号L1通过芯片9、10管脚进入LNA的输入P和N端。同理，射频信号B2通过芯片1、2管脚进入LNA的输入N、P端。管脚6为射频电路VCO（压控振荡器）以及中频电路的LDO（低压差线性稳压器）输入端，即AVDD，取其值为2.5 V。管脚7为给VCO的LDO滤波端口，其接10 nF滤波电容。管脚12为L1通道VCO控制电压端口，经过计算得到C14=15 pF，C15=470 pF，R14=47 k?赘。10 MHz晶振通过管脚14输入。管脚18、33分别为L1、B2模拟中频输出。管脚19为数字电路以及I/O口的LDC输入端，VD_3P3=3.3 V。20~22管脚为SPI设置端口，20管脚为SPI使能端，21管脚为SPI时钟端，22管脚为SPI数据端。23~26管脚为L1通道数字中频ADC输出，默认补码输出。27~30管脚为B2通道数字中频ADC输出，默认补码输出。31管脚为ADC采样时钟输出端，f=62 MHz。35、36管脚分别为B2/B3、B1/L1通道频点硬线选择控制开关端口，35、36管脚都接阻值为800 k?赘电阻拉低，即选择了B2、L1频点工作模式。37管脚为62 MHz时钟通道VCO控制电压端口，接环路滤波器。39管脚为B2/B3通道VCO控制电压端口，接环路滤波器。
2.4 外围设备电路应用
    外围设备电路如图4~图7所示。

    取常用参数典型值，可以得到采用RX3605芯片设计的射频链路载噪比，如：Ta=100 K；L=0.5 dB；NF=6 dB；T0=300 K；Pr=-160 dBW；GA=15 dB；K=-228.6 dBW/K-Hz。计算可得：C/N0=53.04 dB-Hz
考虑到变频器、滤波器、放大器、ADC等各种器件以及后续处理带入系统的干扰。GPS接收机接收12号星（SV12）所示实验测量数据51.12 dB-Hz如图8所示。设计模块的理论计算数据与实际试验数据相吻合，并且模块能够稳定接收卫星信号并顺利工作。

参考文献
[1] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2009.
[2] KAPLAN E D， HEGARTY C J. GPS原理与应用（第二版）[M].寇艳红，译.北京：电子工业出版社，2007.
[3] LEE T H. The design of CMOS radio-frequency integrated circuits， second Edition[M]. New York： Cambridge University Press， 2003.