卫星导航射频接收芯片单片集成关键技术研究

发布时间：2017-08-28 23:33

  本文关键词：卫星导航射频接收芯片单片集成关键技术研究

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【摘要】：以全球定位系统、格洛纳斯系统、伽利略系统和北斗系统为代表的全球卫星定位导航系统是航天、空间技术和通信、信息技术的结合,具有重要的军用和民用应用价值,现在已深刻的影响着人们的生活。单芯片化的地面接收机具有低功耗、小体积、低成本的优点,是卫星导航接收机发展的主要方向,其中的射频前端电路会很大程度上影响接收机功能和性能。随着工艺的发展,CMOS工艺已经逐步取代化合物半导体工艺成为射频集成电路的主流工艺,有利于射频前端和基带进一步集成形成片上系统。因此,基于CMOS工艺的单片高集成度卫星导航接收机射频前端芯片技术具有很高的研究价值和应用价值。本论文基于多项实际课题,针对单片卫星导航接收机对射频前端的功能和性能要求,研究了射频前端单芯片系统设计、频率可配置低噪声放大技术,镜像抑制混频和滤波技术、数字自动增益控制技术和锁相环型频率合成技术等多项关键技术,并最终研制了卫星导航接收机射频前端样片进行测试和验证。首先,对于单芯片化的射频前端系统,本文基于集成电路的特点选择低中频结构作为具体实现方式;研究了不同于分立式导航接收机而适用于射频芯片的整体指标参数计算方法,给出增益、噪声系数、线性度、相位噪声等主要参数指标的计算过程;在此基础上研究了接收机芯片参数指标的模块化分解方法,并给出了一种指标分解方案;还提出了单通道双模和双通道多模这两种多模兼容接收机射频芯片结构。由于卫星导航信号到达地面接收端时强度非常微弱,本文首先研究了位于单片化接收机最前端的低噪声放大器的噪声特性及分析方法;然后基于源极负反馈电感型低噪声放大器结构,设计了两种针对多模兼容需求的频率可配置低噪声放大器电路,利用开关电容调谐的方法改变工作频点,实现模式可配置;在此基础上设计了版图,并进行了投片。样片测试结果为:双频点和三频点可配置低噪声放大器在1.2GHz和1.5GHz两个主要频段的三个频点上,噪声系数为1.6~1.8dB,增益达到16~20dB,输出1dB压缩点大于-21dBm,功耗7~10mW,测试结果验证了研究方法的正确性和有效性。其次,针对低中频接收机结构中的镜像抑制问题进行了研究。在正交混频器方面,改进经典结构得到了一种有源双平衡混频器电路,并提出了旁路电流注入结构来调整性能;仿真结果显示,该混频器可以完成正交下变频的功能,并提供14dB的增益,噪声系数为11dB,模块功耗小于10mW。在镜像抑制滤波器方面,研究并设计了一种四级无源多相滤波器的电路,针对无源器件的失配问题进行了版图优化和后仿真。另外,还研究了复数带通滤波器的镜像抑制方法,基于频率搬移方法设计了五阶Gm-C复数带通滤波器电路和版图并进行了后仿真;正交混频器结合滤波器的镜像抑制比超过30dB。然后,本文还研究了数字自动增益控制环路。提出了一种针对卫星导航信号高斯白噪声统计特性的自动增益控制算法。该算法采用数字电路实现,能提高芯片集成度;而且通过优化功率估计方法,能够将增益调整过程控制在两步以内,大大缩短了环路稳定时间;还建立模型对环路的功能和稳定性进行了讨论。本文还基于典型结构改进设计了一种可编程增益放大器,能够提供62dB的动态范围和2dB增益步进。为了获得稳定有效的本地振荡信号,本论文还研究了锁相环频率合成器。通过改进鉴频鉴相器和电荷泵电路,解决了“死区”问题;还设计了一种振荡频率在2~3GHz的电感电容压控振荡器,配合基于源极耦合逻辑的高速分频器以及片外环路滤波器等其他功能单元,构成了锁相环频率合成器。频率合成器子系统进行了单独投片和测试,样片测试结果为:频率合成器可以在1.2GHz正常锁定,VCO振荡频率范围为2.23GHz到2.69GHz,调谐特性良好;相位噪声为-101dBc/Hz@100kHz、-123dBc/Hz1MHz,可以满足卫星导航接收机的要求。最后,基于TSMC 0.18μm CMOS工艺,试制了针对北斗导航系统的单芯片射频前端样片。在完成芯片结构规划、版图规划、管脚定义后进行了投片;样片封装为QFN形式,在此基础上设计测试板对样片进行了测试。测试项目包括直流、频率合成器子系统、射频通道和中频四个部分,涉及到所有主要参数。针对北斗B2/B3频点的测试如下:直流测试无漏电,整体功耗54mW;在匹配良好的情况下,射频通道总体增益最大为105dB、噪声系数为3.2~3.7dB、输入1dB压缩点为-43d Bm;频率合成子系统输出频率调谐范围从1.056GHz到1.294GHz,相位噪声为-79.69dBc/Hz@1kHz、-86.81dBc/Hz@10kHz、-99.10dBc/Hz@100kHz、-123.48dBc/Hz@1MHz;受参考频率影响,在10MHz偏移处存在72dBc的杂散;中频滤波器中心频率46MHz,3dB带宽为34MHz~59MHz,带内波动为1dB,镜像抑制比32dB;AGC环路动态范围62dB,增益步进2dB,增益误差小于±0.3dB,稳定时间小于32μs。测试结果显示样片能够满足卫星导航接收机的要求,同时也验证了本文的研究方法和所提出的结构、电路和算法的正确性和有效性。
【关键词】：卫星导航接收机 射频前端芯片 低噪声放大 镜像抑制 自动增益控制
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN967.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 缩略语对照表15-16
• 符号对照表16-21
• 第一章 绪论21-27
• 1.1 选题背景缘由和意义21-23
• 1.1.1 卫星定位导航系统的发展21
• 1.1.2 卫星导航接收机芯片发展21-23
• 1.2 论文的研究要点及研究现状23-25
• 1.3 论文的主要工作及组织结构25-27
• 第二章 单芯片化卫星导航射频接收机系统设计27-47
• 2.1 卫星导航接收机概述27-31
• 2.1.1 卫星导航系统概述27-30
• 2.1.2 射频接收机概况30-31
• 2.2 镜像抑制问题与射频接收机结构选型31-34
• 2.2.1 三种主要射频接收机结构31-33
• 2.2.2 低中频接收机中镜像信号的产生与抑制33-34
• 2.3 单芯片化系统参数指标计算方法34-40
• 2.3.1 总增益参数指标计算方法35-36
• 2.3.2 动态范围参数指标计算方法36
• 2.3.3 噪声系数参数指标计算方法36-38
• 2.3.4 镜像抑制比指标计算方法38
• 2.3.5 相位噪声指标计算方法38-40
• 2.4 多模多频导航射频芯片结构设计40-42
• 2.4.1 单通道双模接收机40-41
• 2.4.2 双通道多模接收机41-42
• 2.5 接收机芯片参数指标模块化分解方法与规划42-45
• 2.5.1 参数指标模块化分解方法42-43
• 2.5.2 主要模块指标规划与分解方案43-45
• 2.6 本章小结45-47
• 第三章 频率可配置低噪声放大器研究47-73
• 3.1 低噪声放大器设计方法研究47-60
• 3.1.1 射频MOS管噪声分析47-48
• 3.1.2 双端.网络噪声分析方法48-50
• 3.1.3 低噪声放大器电路结构50-52
• 3.1.4 主要设计参数与设计考虑52-60
• 3.2 频率可配置的低噪放电路设计60-67
• 3.2.1 增益切换方法61-62
• 3.2.2 频点带宽切换方法62-63
• 3.2.3 双模可配置低噪声放大器63-65
• 3.2.4 三模可配置低噪声放大器65-67
• 3.3 低噪声放大器单模块投片与测试67-71
• 3.4 本章小结71-73
• 第四章 镜像抑制混频与滤波技术研究73-95
• 4.1 正交下变频器设计73-77
• 4.1.1 下变频器主要设计参数与设计考虑73-74
• 4.1.2 有源双平衡混频器电路设计与优化74-77
• 4.2 无源多相滤波器研究与设计77-84
• 4.2.1 无源多相滤波器结构设计77-81
• 4.2.2 无源多相滤波器电路设计与仿真81-84
• 4.3 复数带通滤波器研究与设计84-93
• 4.3.1 复数带通滤波器结构设计84-88
• 4.3.2 复数带通滤波器电路设计88-93
• 4.4 本章小结93-95
• 第五章 基于白噪声统计特性的数控AGC研究95-117
• 5.1 数字控制AGC设计方法研究95-99
• 5.1.1 数字AGC技术的优势95-96
• 5.1.2 反馈与前馈AGC系统96-97
• 5.1.3 AGC系统主要设计参数97
• 5.1.4 线性算法与对数算法的选择97-99
• 5.2 可编程增益放大器电路设计99-102
• 5.2.1 PGA电路原理与结构99-101
• 5.2.2 增益控制101-102
• 5.3 基于白噪声统计特性的AGC算法102-113
• 5.3.1 卫星导航信号的高斯白噪声统计特性103-104
• 5.3.2 AGC算法思路104-106
• 5.3.3 AGC增益调整方法106-109
• 5.3.4 AGC环路稳定性与稳定时间109-110
• 5.3.5 AGC算法优化110-112
• 5.3.6 AGC电路设计112-113
• 5.4 AGC环路建模与仿真113-115
• 5.4.1 AGC环路建模113-114
• 5.4.2 AGC环路仿真114-115
• 5.5 本章小结115-117
• 第六章 锁相环型频率合成器研究117-137
• 6.1 锁相环频率合成器电路设计117-134
• 6.1.1 鉴频鉴相器电路设计117-120
• 6.1.2 电荷泵120-123
• 6.1.3 压控振荡器123-127
• 6.1.4 分频电路127-132
• 6.1.5 环路滤波器设计132-134
• 6.2 锁相环频率合成器单独投片与测试134-136
• 6.2.1 锁相环频率合成器样片与测试板134-135
• 6.2.2 样片测试135-136
• 6.3 本章小结136-137
• 第七章 单片化射频前端样片研制与测试137-157
• 7.1 单片高集成度射频前端样片总体规划137-141
• 7.1.1 样片布局规划137-138
• 7.1.2 样片总体版图规划138-139
• 7.1.3 封装形式与管脚定义139-140
• 7.1.4 投片版图设计140-141
• 7.2 样片投片与测试板设计141-142
• 7.2.1 样片投片141
• 7.2.2 样片测试板141-142
• 7.3 样片测试与结果分析142-155
• 7.3.1 直流测试143-144
• 7.3.2 锁相环频率合成器子系统测试144-148
• 7.3.3 射频通道测试148-151
• 7.3.4 中频测试151-154
• 7.3.5 总体测试结果154-155
• 7.4 本章小结155-157
• 第八章 结论和展望157-159
• 8.1 研究结论157-158
• 8.2 研究展望158-159
• 参考文献159-169
• 致谢169-171
• 作者简介171-173

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 靳刚;庄奕琪;阴s，

本文编号：750156