Абстрактный
С широким распространением спутниковых навигационных систем во всем мире многорежимные спутниковые навигационные приемники, способные поддерживать различные навигационные системы, такие как GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou, становятся основным выбором для навигационных устройств. Однако их дальнейшее развитие существенно сдерживается размерами и энергопотреблением. Радиочастотный приемный блок, являющийся основным компонентом навигационного приемника, напрямую влияет на стабильность и надежность всей системы. Традиционные конструкции с использованием дискретных компонентов приводят к большим размерам, высокому энергопотреблению и нестабильной работе системы. Чтобы преодолеть эти ограничения, замена дискретных компонентов на радиочастотные интегральные схемы (RF ASIC) стала ключевым техническим путем для достижения миниатюризации приемника, низкого энергопотребления и высокой стабильности. В данной работе систематически исследуются ключевые технологии проектирования радиочастотных ASIC для многорежимных спутниковых навигационных приемников, предлагается полная архитектура радиочастотной микросхемы и предлагаются возможные решения проблем проектирования основных модулей, таких как малошумящие усилители, смесители и синтезаторы частоты. Полученные результаты обеспечивают теоретическую и практическую поддержку автономной разработки и интеграции многорежимных навигационных РЧ-чипов.

Введение
Благодаря постоянному совершенствованию и интеграции глобальных спутниковых навигационных систем, многорежимные спутниковые навигационные приемники, которые могут одновременно принимать и обрабатывать сигналы от нескольких навигационных систем, значительно повысили надежность, точность и доступность позиционирования. В результате они стали одним из основных направлений развития современных навигационных технологий. Однако с ростом числа интегрированных функций все более заметными становятся проблемы размеров и энергопотребления приемника, особенно в портативных и встраиваемых устройствах, где эти два фактора напрямую ограничивают область применения.

Радиочастотный приемный блок, являющийся передней частью навигационного приемника, отвечает за такие ключевые процессы, как прием, усиление и преобразование сигнала. Его производительность напрямую влияет на точность последующей обработки базовой полосы и общую стабильность системы. Традиционные радиочастотные приемные устройства обычно строятся с использованием дискретных компонентов. Хотя такие конструкции обеспечивают гибкость, их большие размеры, высокое энергопотребление и плохая согласованность ограничивают производительность приемника. В результате переход к использованию специализированных интегральных схем (ASIC) для радиочастотной части стал неизбежным выбором для достижения высокой производительности, низкой стоимости и компактных размеров приемников.

1. Требования к радиочипам для многомодовой спутниковой навигации

Многорежимные приемники спутниковой навигации должны поддерживать одновременно несколько частотных диапазонов и схем модуляции, что предъявляет повышенные требования к радиочастотным микросхемам. С одной стороны, микросхема должна обладать широкополосной приемной способностью, чтобы покрывать рабочие диапазоны частот различных навигационных систем. С другой стороны, он должен сохранять высокую чувствительность при низком уровне шума, высокой линейности и отличных характеристиках защиты от помех. Кроме того, для работы в мобильных устройствах с батарейным питанием чип должен обладать низким энергопотреблением и обеспечивать баланс между интеграцией, стоимостью и надежностью.

2. Проектирование архитектуры радиочастотных микросхем

Исходя из вышеперечисленных требований, в данной работе предлагается полная архитектура радиочастотного ASIC для многорежимной спутниковой навигации. В архитектуре используется структура приемника с нулевой промежуточной частотой (Zero-IF) или Low-IF для упрощения сложности системы и уменьшения количества внешних компонентов. Чип объединяет основные модули, включая малошумящий усилитель (LNA), смеситель, синтезатор частоты, фильтр и усилитель с переменным коэффициентом усиления (VGA), благодаря высокоинтегрированной конструкции, оптимизирующей сигнальную цепь и контролирующей потребление энергии.

3. Ключевые технологии и решения

3.1 Малошумящий усилитель (МШУ)
Будучи первой активной цепью в приемнике, коэффициент шума МШУ напрямую влияет на чувствительность системы. Многорежимный навигационный чип требует от МШУ низкого уровня шума, высокого коэффициента усиления и хорошего согласования по входу в широком диапазоне частот. В конструкции используется каскодная структура в сочетании с методами согласования по шуму для обеспечения усиления при эффективном подавлении шума. Кроме того, применяется технология адаптивного смещения для поддержания оптимальных характеристик при различных условиях эксплуатации.

3.2 Миксер
Смеситель преобразует радиочастотные сигналы в промежуточную частоту. Его линейность и коэффициент преобразования имеют решающее значение для защиты системы от помех. В данной работе используется активный смеситель на основе структуры ячейки Гилберта, оптимизируются размеры и условия смещения переключающих транзисторов для улучшения линейности и уменьшения утечки локального генератора. Кроме того, для снижения энергопотребления используется технология повторного использования тока.

3.3 Синтезатор частоты
Синтезатор частоты обеспечивает стабильный и точный сигнал локального генератора для смесителя. Многорежимная навигация требует быстрой фиксации и охвата нескольких частотных точек. В конструкции используется структура с фазовой автоподстройкой (PLL), объединяющая генератор с низким уровнем фазового шума, управляемый напряжением (VCO), и делитель высокого разрешения. Для уменьшения погрешности частоты используются методы цифровой калибровки, а для гибкой настройки частотных точек - технология дробного деления.

4. Резюме и перспективы

В данной статье предлагается комплексное решение по проектированию радиочастотных ASIC для многорежимных спутниковых навигационных приемников с упором на проблемы проектирования и решения для ключевых модулей, таких как малошумящий усилитель, смеситель и синтезатор частоты. Благодаря оптимизации структуры схемы и системной интеграции можно значительно уменьшить размеры и энергопотребление, повысив при этом стабильность и общую производительность приемника. В будущем, с развитием технологий и ростом требований к системам, многорежимные навигационные радиочастотные микросхемы будут продолжать развиваться в направлении более высокой интеграции, более низкого энергопотребления и более сильных возможностей защиты от помех, обеспечивая надежную техническую поддержку для широкомасштабного применения глобальных навигационных систем.