บทคัดย่อ
ด้วยการประยุกต์ใช้ระบบนำทางดาวเทียมอย่างแพร่หลายทั่วโลก ทำให้เครื่องรับสัญญาณนำทางดาวเทียมแบบหลายโหมด ซึ่งสามารถรองรับระบบนำทางต่าง ๆ เช่น GPS, GLONASS, Galileo และ BeiDou กลายเป็นตัวเลือกหลักสำหรับอุปกรณ์นำทาง อย่างไรก็ตาม การขยายตัวเพิ่มเติมของระบบเหล่านี้ถูกจำกัดอย่างมากโดยขนาดและการใช้พลังงานหน่วยรับสัญญาณ RF ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของเครื่องรับสัญญาณนำทาง มีผลโดยตรงต่อความเสถียรและความน่าเชื่อถือของระบบทั้งหมด การออกแบบแบบดั้งเดิมที่ใช้ส่วนประกอบแยกต่างหากทำให้มีขนาดใหญ่ ใช้พลังงานสูง และประสิทธิภาพของระบบไม่เสถียร เพื่อเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ การแทนที่ส่วนประกอบแยกต่างหากด้วยวงจรรวมเฉพาะกิจสำหรับประยุกต์ใช้ในความถี่วิทยุ (RF ASICs) ได้กลายเป็นแนวทางทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับการทำให้เครื่องรับมีขนาดเล็กลง ใช้พลังงานต่ำ และมีความเสถียรสูงเอกสารฉบับนี้ศึกษาเทคโนโลยีหลักในการออกแบบ RF ASIC สำหรับเครื่องรับสัญญาณดาวเทียมนำทางแบบหลายโหมดอย่างเป็นระบบ เสนอสถาปัตยกรรมชิป RF ที่สมบูรณ์ และนำเสนอแนวทางแก้ไขที่เป็นไปได้สำหรับความท้าทายในการออกแบบโมดูลหลัก เช่น เครื่องขยายสัญญาณเสียงรบกวนต่ำ เครื่องผสมสัญญาณ และเครื่องสังเคราะห์ความถี่ ผลการศึกษาให้การสนับสนุนทั้งทางทฤษฎีและปฏิบัติสำหรับการพัฒนาและการรวมชิป RF สำหรับการนำทางแบบหลายโหมดอย่างอิสระ.

บทนำ
ด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องและการผสานรวมของระบบนำทางดาวเทียมระดับโลก ตัวรับสัญญาณนำทางดาวเทียมแบบหลายโหมด ซึ่งสามารถรับและประมวลผลสัญญาณจากระบบนำทางหลายระบบได้พร้อมกัน ได้เพิ่มความน่าเชื่อถือ ความถูกต้อง และความพร้อมใช้งานของระบบนำทางอย่างมีนัยสำคัญ ด้วยเหตุนี้ ตัวรับสัญญาณเหล่านี้จึงกลายเป็นทิศทางการพัฒนาหลักในเทคโนโลยีการนำทางสมัยใหม่ อย่างไรก็ตาม ด้วยจำนวนฟังก์ชันที่ผสานรวมเพิ่มขึ้น ปัญหาเกี่ยวกับขนาดและปริมาณการใช้พลังงานของตัวรับสัญญาณได้กลายเป็นปัญหาที่ชัดเจนมากขึ้น โดยเฉพาะในอุปกรณ์พกพาและอุปกรณ์ฝังตัว ที่ปัจจัยสองประการนี้จำกัดขอบเขตของการนำไปใช้โดยตรง.

หน่วยรับสัญญาณ RF ซึ่งเป็นส่วนหน้าของตัวรับสัญญาณนำทาง มีหน้าที่รับผิดชอบกระบวนการสำคัญ เช่น การรับสัญญาณ การขยายสัญญาณ และการแปลงความถี่ลง ประสิทธิภาพของหน่วยนี้ส่งผลโดยตรงต่อความแม่นยำของการประมวลผลสัญญาณพื้นฐานในขั้นตอนถัดไปและความเสถียรโดยรวมของระบบหน่วยรับสัญญาณ RF แบบดั้งเดิมมักถูกสร้างขึ้นโดยใช้ชิ้นส่วนแยกต่างหาก แม้ว่าการออกแบบเหล่านี้จะให้ความยืดหยุ่น แต่ขนาดที่ใหญ่ การใช้พลังงานสูง และความไม่สม่ำเสมอของประสิทธิภาพทำให้ประสิทธิภาพของตัวรับสัญญาณถูกจำกัด ด้วยเหตุนี้ การเปลี่ยนไปใช้วงจรรวมเฉพาะงานสำหรับ RF (ASICs) ที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับส่วน RF จึงกลายเป็นทางเลือกที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูง ต้นทุนต่ำ และขนาดกะทัดรัดในตัวรับสัญญาณ.

1. ข้อกำหนดของชิป RF สำหรับระบบนำทางดาวเทียมแบบหลายโหมด

เครื่องรับสัญญาณนำทางดาวเทียมแบบหลายโหมดจำเป็นต้องรองรับหลายย่านความถี่และรูปแบบการมอดูเลตพร้อมกัน ซึ่งทำให้ความต้องการต่อชิป RF เพิ่มสูงขึ้นในด้านหนึ่ง ชิปต้องมีความสามารถในการรับสัญญาณแบบแบนด์วิธกว้างเพื่อครอบคลุมย่านความถี่ที่ใช้งานของระบบนำทางต่างๆ ในอีกด้านหนึ่ง ชิปต้องรักษาความไวสูงในขณะที่สามารถลดสัญญาณรบกวน มีความเป็นเชิงเส้นสูง และมีประสิทธิภาพในการต้านทานการรบกวนที่ยอดเยี่ยม นอกจากนี้ เพื่อรองรับอุปกรณ์เคลื่อนที่ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ ชิปต้องมีการใช้พลังงานต่ำและต้องสร้างสมดุลระหว่างการรวมฟังก์ชัน ความคุ้มค่า และความน่าเชื่อถือ.

2. การออกแบบสถาปัตยกรรม RFchip

ตามข้อกำหนดข้างต้น บทความนี้เสนอสถาปัตยกรรม RF ASIC ที่สมบูรณ์สำหรับการนำทางดาวเทียมแบบหลายโหมดสถาปัตยกรรมนี้ใช้โครงสร้างตัวรับสัญญาณแบบ Zero-IF (Zero Intermediate Frequency) หรือ Low-IF เพื่อลดความซับซ้อนของระบบและลดจำนวนชิ้นส่วนภายนอก ชิปนี้รวมโมดูลหลักต่างๆ ไว้ด้วยกัน รวมถึงตัวขยายสัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) มิกเซอร์ ตัวสังเคราะห์ความถี่ ตัวกรอง และตัวขยายสัญญาณแบบปรับได้ (VGA) ผ่านการออกแบบที่มีความบูรณาการสูง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของสายสัญญาณและควบคุมการใช้พลังงาน.

3. เทคโนโลยีและโซลูชันหลัก

3.1 เครื่องขยายสัญญาณเสียงต่ำ (LNA)
ในฐานะวงจรที่ทำงานเป็นวงจรแรกในตัวรับสัญญาณ ค่าตัวเลขสัญญาณรบกวนของ LNA มีผลโดยตรงต่อความไวของระบบ ชิปนำทางแบบหลายโหมดต้องการให้ LNA มีสัญญาณรบกวนต่ำ อัตราขยายสูง และการจับคู่สัญญาณเข้าที่ดีในช่วงความถี่ที่กว้าง การออกแบบใช้โครงสร้างแบบคาสโคดร่วมกับเทคนิคการจับคู่สัญญาณรบกวนเพื่อให้ได้อัตราขยายในขณะที่ลดสัญญาณรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังมีการนำเทคโนโลยีการปรับแรงดันไฟฟ้าแบบปรับตัวได้มาใช้เพื่อรักษาประสิทธิภาพที่เหมาะสมภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน.

3.2 เครื่องผสม
เครื่องผสมสัญญาณ (mixer) จะทำการแปลงสัญญาณ RF ลงสู่ความถี่กลาง (intermediate frequency) ความเป็นเชิงเส้น (linearity) และอัตราขยายการแปลง (conversion gain) ของเครื่องผสมสัญญาณมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความสามารถในการต้านการรบกวนของระบบ บทความนี้ใช้เครื่องผสมสัญญาณแบบแอคทีฟ (active mixer) ที่ออกแบบตามโครงสร้าง Gilbert Cell โดยปรับขนาดและเงื่อนไขการปรับไบอัสของทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งให้เหมาะสมเพื่อปรับปรุงความเป็นเชิงเส้นและลดการรั่วไหลของสัญญาณออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่น นอกจากนี้ ยังใช้เทคโนโลยีการนำกระแสกลับมาใช้ใหม่ (current reuse technology) เพื่อลดการใช้พลังงาน.

3.3 เครื่องสังเคราะห์ความถี่
เครื่องสังเคราะห์ความถี่ให้สัญญาณออสซิลเลเตอร์ท้องถิ่นที่เสถียรและแม่นยำแก่เครื่องผสมสัญญาณ การนำทางแบบหลายโหมดต้องการการล็อกอย่างรวดเร็วและการครอบคลุมจุดความถี่หลายจุด การออกแบบใช้โครงสร้างวงจรล็อกเฟส (Phase-Locked Loop: PLL) ซึ่งรวมออสซิลเลเตอร์ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าที่มีเสียงรบกวนต่ำ (Voltage-Controlled Oscillator: VCO) และตัวแบ่งความถี่ความละเอียดสูง เทคนิคการปรับเทียบแบบดิจิทัลถูกใช้เพื่อลดข้อผิดพลาดของความถี่ และเทคโนโลยีการแบ่งเศษส่วนถูกนำมาใช้เพื่อให้สามารถกำหนดค่าจุดความถี่ได้อย่างยืดหยุ่น.

4. สรุปและแนวโน้ม

บทความนี้นำเสนอแนวทางการออกแบบ RF ASIC แบบครบวงจรสำหรับเครื่องรับสัญญาณดาวเทียมนำทางแบบหลายโหมด โดยมุ่งเน้นที่ความท้าทายในการออกแบบและแนวทางแก้ไขสำหรับโมดูลหลัก เช่น เครื่องขยายสัญญาณเสียงต่ำ (Low-Noise Amplifier) เครื่องผสมสัญญาณ (Mixer) และเครื่องสังเคราะห์ความถี่ (Frequency Synthesizer) ผ่านการปรับโครงสร้างวงจรและการบูรณาการระบบ ทำให้สามารถลดขนาดและการใช้พลังงานได้อย่างมีนัยสำคัญ พร้อมทั้งปรับปรุงความเสถียรและประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องรับสัญญาณในอนาคต ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและความต้องการของระบบที่เพิ่มขึ้น ชิป RF สำหรับการนำทางแบบหลายโหมดจะยังคงพัฒนาไปสู่การรวมระบบที่สูงขึ้น การใช้พลังงานที่ต่ำลง และความสามารถในการต้านการรบกวนที่แข็งแกร่งขึ้น ซึ่งจะให้การสนับสนุนทางเทคนิคที่มั่นคงสำหรับการประยุกต์ใช้ระบบนำทางระดับโลกในวงกว้าง.