Abstrakt
Mit der weit verbreiteten Anwendung von Satellitennavigationssystemen auf der ganzen Welt werden Multimode-Satellitennavigationsempfänger, die verschiedene Navigationssysteme wie GPS, GLONASS, Galileo und BeiDou unterstützen können, zur ersten Wahl für Navigationsgeräte. Ihre weitere Verbreitung wird jedoch durch Größe und Stromverbrauch erheblich eingeschränkt. Die HF-Empfangseinheit, das Herzstück eines Navigationsempfängers, wirkt sich direkt auf die Stabilität und Zuverlässigkeit des gesamten Systems aus. Herkömmliche Entwürfe mit diskreten Komponenten führen zu großen Abmessungen, hohem Stromverbrauch und instabiler Systemleistung. Um diese Einschränkungen zu überwinden, ist der Ersatz diskreter Komponenten durch anwendungsspezifische integrierte Hochfrequenzschaltungen (RF ASICs) der wichtigste technische Weg, um eine Miniaturisierung des Empfängers, einen geringen Stromverbrauch und eine hohe Stabilität zu erreichen. Dieser Beitrag untersucht systematisch die Schlüsseltechnologien im HF-ASIC-Design für Multimode-Satellitennavigationsempfänger, schlägt eine vollständige HF-Chip-Architektur vor und bietet praktikable Lösungen für die Design-Herausforderungen von Kernmodulen wie rauscharmen Verstärkern, Mischern und Frequenzsynthesizern. Die Ergebnisse bieten theoretische und praktische Unterstützung für die autonome Entwicklung und Integration von Multimode-Navigations-HF-Chips.

Einführung
Mit der kontinuierlichen Verbesserung und Integration globaler Satellitennavigationssysteme haben Multimode-Satellitennavigationsempfänger, die gleichzeitig Signale von mehreren Navigationssystemen empfangen und verarbeiten können, die Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Verfügbarkeit der Positionsbestimmung erheblich verbessert. Infolgedessen sind sie zu einer wichtigen Entwicklungsrichtung in der modernen Navigationstechnologie geworden. Mit der zunehmenden Zahl integrierter Funktionen sind jedoch die Probleme der Größe und des Stromverbrauchs des Empfängers in den Vordergrund getreten, insbesondere bei tragbaren und eingebetteten Geräten, wo diese beiden Faktoren den Anwendungsbereich direkt einschränken.

Die HF-Empfangseinheit ist als Front-End-Teil des Navigationsempfängers für wichtige Prozesse wie den Signalempfang, die Verstärkung und die Abwärtskonvertierung verantwortlich. Ihre Leistung wirkt sich direkt auf die Genauigkeit der nachfolgenden Basisbandverarbeitung und die Gesamtstabilität des Systems aus. Herkömmliche HF-Empfangseinheiten werden in der Regel aus diskreten Komponenten aufgebaut. Obwohl diese Designs Flexibilität bieten, schränken ihre große Größe, ihr hoher Stromverbrauch und ihre schlechte Konsistenz die Leistung des Empfängers ein. Daher ist der Wechsel zu spezialisierten anwendungsspezifischen integrierten HF-Schaltkreisen (ASICs) für den HF-Teil unumgänglich geworden, um hohe Leistung, niedrige Kosten und kompakte Abmessungen in Empfängern zu erreichen.

1. Multi-Mode-Satellitennavigation RFchips Anforderungen

Multimode-Satellitennavigationsempfänger müssen mehrere Frequenzbänder und Modulationsverfahren gleichzeitig unterstützen, was höhere Anforderungen an HF-Chips stellt. Einerseits muss der Chip über eine Breitband-Empfangsfähigkeit verfügen, um die Betriebsfrequenzbänder der verschiedenen Navigationssysteme abzudecken. Andererseits muss er eine hohe Empfindlichkeit beibehalten und gleichzeitig ein geringes Rauschen, eine hohe Linearität und einen ausgezeichneten Störungsschutz bieten. Außerdem muss der Chip einen geringen Stromverbrauch haben und ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Integration, Kosten und Zuverlässigkeit aufweisen, um batteriebetriebene mobile Geräte zu unterstützen.

2. RFchip Architektur Entwurf

Auf der Grundlage der oben genannten Anforderungen wird in diesem Papier eine vollständige RF-ASIC-Architektur für die Multimode-Satellitennavigation vorgeschlagen. Die Architektur verwendet eine Zero-IF (Zero Intermediate Frequency) oder Low-IF-Empfängerstruktur, um die Systemkomplexität zu vereinfachen und die Anzahl der externen Komponenten zu reduzieren. Der Chip integriert Kernmodule wie einen rauscharmen Verstärker (LNA), einen Mischer, einen Frequenzsynthesizer, einen Filter und einen Verstärker mit variabler Verstärkung (VGA) in einem hochintegrierten Design, das die Signalkette optimiert und den Stromverbrauch kontrolliert.

3. Schlüsseltechnologien und Lösungen

3.1 Rauscharmer Verstärker (LNA)
Als erster aktiver Schaltkreis im Empfänger wirkt sich die Rauschzahl des LNA direkt auf die Empfindlichkeit des Systems aus. Für den Multimode-Navigations-Chip muss der LNA ein geringes Rauschen, eine hohe Verstärkung und eine gute Eingangsanpassung über einen großen Frequenzbereich aufweisen. Das Design verwendet eine Kaskodenstruktur in Kombination mit Rauschanpassungstechniken, um die Verstärkung zu gewährleisten und gleichzeitig das Rauschen wirksam zu unterdrücken. Darüber hinaus wird eine adaptive Vorspannungstechnologie eingeführt, um eine optimale Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.

3.2 Mischpult
Der Mischer wandelt HF-Signale auf eine Zwischenfrequenz herunter. Seine Linearität und Umwandlungsverstärkung sind entscheidend für die Entstörungsfähigkeit des Systems. In diesem Beitrag wird ein aktiver Mischer auf der Grundlage der Gilbert-Zellen-Struktur verwendet, wobei die Größen und Vorspannungsbedingungen der Schalttransistoren optimiert werden, um die Linearität zu verbessern und die Leckage des Lokaloszillators zu verringern. Außerdem wird die Technologie der Stromwiederverwendung eingesetzt, um den Stromverbrauch zu senken.

3.3 Frequenzsynthesizer
Der Frequenzsynthesizer liefert ein stabiles und genaues Lokaloszillatorsignal an den Mischer. Die Multimode-Navigation erfordert eine schnelle Verriegelung und Abdeckung mehrerer Frequenzpunkte. Der Entwurf verwendet eine PLL-Struktur (Phase-Locked Loop), die einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) mit geringem Phasenrauschen und einen hochauflösenden Teiler integriert. Digitale Kalibrierungstechniken werden eingesetzt, um Frequenzfehler zu reduzieren, und die Technologie der fraktionierten Teilung ermöglicht eine flexible Konfiguration der Frequenzpunkte.

4. Zusammenfassung und Ausblick

In diesem Beitrag wird eine umfassende HF-ASIC-Designlösung für Multimode-Satellitennavigationsempfänger vorgeschlagen, wobei der Schwerpunkt auf den Designherausforderungen und Lösungen für Schlüsselmodule wie rauscharme Verstärker, Mischer und Frequenzsynthesizer liegt. Durch Optimierung der Schaltungsstruktur und Systemintegration ist es möglich, die Größe und den Stromverbrauch erheblich zu reduzieren und gleichzeitig die Stabilität und die Gesamtleistung des Empfängers zu verbessern. Mit dem technologischen Fortschritt und den steigenden Anforderungen an die Systeme werden sich Multimode-Navigations-HF-Chips in Zukunft weiter in Richtung einer höheren Integration, eines geringeren Stromverbrauchs und einer stärkeren Störsicherheit entwickeln und so eine solide technische Unterstützung für die groß angelegte Anwendung globaler Navigationssysteme bieten.