一種多模多頻北斗三號模塊的設計

黃芳 李濤 何玉梅

摘要：介紹了北斗三號衛星導航系統，為了實現北斗三號衛星導航系統的深入應用，本文提出了一種基于北斗三號基帶芯片、射頻芯片的硬件電路設計方案。詳細介紹了射頻電路、基帶電路、接口電路、電源電路的硬件設計框架和方法，該方法已得到實物驗證，在多平臺已推廣應用。

關鍵詞：北斗三號;多模多頻;北斗模塊

0引言

衛星導航是人類共有的財富，衛星導航系統一直以向全世界提供服務作為終極追求，具有獨立自主知識產權的北斗三號衛星定位導航系統是我國重要的時空信息基礎設施，具有精度高、靈敏快速、全天候、全覆蓋等特點，是我國電子信息系統的重要組成部分。北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system， BDS）作為中國唯一、世界第三的全球衛星導航系統（global navigation satellite system， GNSS）4大成員之一，是我國秉承“獨立自主、團結協作、攻堅克難、追求卓越”北斗精神的智慧結晶。2020年7月底北斗三號全球組網，形成全球覆蓋能力，并完成全球導航定位服務功能，同時短報文功能在BDS-3中進行了保留繼承和容量擴展（較BDS-2提升近10倍，最長1000個漢字），標志著北斗三號建成了完整系統（3GEO衛星+3IGSO衛星+24MEO衛星），北斗邁進全球服務新時代，為全球用戶提供服務。

北斗三號具備導航定位和通信數傳兩大功能，可提供定位導航授時、全球短報文通信、區域短報文通信、國際搜救、星基增強、地基增強、精密單點定位共7類服務，是功能強大的全球衛星導航系統。全球范圍定位精度優于10米、測速精度優于0.2米/秒、授時精度優于20納秒、服務可用性優于99%，亞太地區性能更優。目前北斗系統已全面服務交通運輸、公共安全、救災減災、農林牧漁、城市治理等行業，融入電力、金融、通信等國家核心基礎設施建設。

1總體設計

北斗三號模塊可實現北斗三號RNSS信號接收、RDSS及全球短報文信號接收與發射，完成北斗三號RNSS衛星導航定位、授時等功能，同時具備RDSS應急搜救、定位報告、報文通信等功能。北斗三號模塊硬件主要是由射頻部分、基帶部分、接口以及電源構成。射頻部分采用RX3701射頻芯片來實現導航信號的收發功能。RX3701包含四個接收通道和一個發射通道，支持RNSS信號的接收和RDSS信號的收發。基帶部分采用綜合基帶芯片及外圍電路來實現導航信號處理，同時增加溫度傳感器來實時監測板卡、基帶芯片及授權模塊芯片的溫度。電源部分主要是為各功能模塊芯片提供穩定的供電。

圖 1 北斗三號模塊設計框圖

1.1射頻電路設計

射頻部分以射頻芯片RX3701為主體，并增加射頻前端電路構成，用于實現接收信號的下變頻處理和發射信號的上變頻處理，同時輸出基帶芯片所需的基準時鐘。該芯片包含四個接收通道和一個發射通道，是一款四收一發的多模多頻射頻芯片，支持GNSS 導航信號接收和RDSS 短報文信號收發，支持所有北三的RNSS和RDSS頻點，性能優異。RNSS 接收通道工作頻率覆蓋1.15GHz～1.65GHz，RDSS 接收工作頻率為2.483GHz～2.5GHz，發射工作頻率覆1.61GHz～1.68GHz。

RX3701 具備極高的性能和集成度。芯片集成了包括低噪聲放大器、下變頻混頻器、濾波器、可編程放大器、模數轉換器和鎖相環在內的完整接收機鏈路，以及濾波器，上變頻混頻器，功率預放大器在內的完整發射機鏈路。根據接收和發射頻率來設計RX3701的通道配置，通道一配置B3頻點，通道二配置B1、L1以及GLO G1頻點，通道三配置全球短報文B2b頻點，通道四配置成RDSS的接收頻點，發射通道同時支持LF0-LF5頻點。

1） 接收鏈路設計

天線接收到的衛星信號經過前端寬帶LNA放大后接入模塊輸入端，經過兩級功分，頻率覆蓋范圍從1176.45MHz至2491.75MHz，并通過不同頻點的SAW濾波后變成四路接收信號輸入到RX3701射頻芯片。在RX3701內進行下變頻輸出四路模擬中頻信號提供給基帶芯片進行處理。對RX3701四個通道配置不同的本振頻率，以實現所有北三的RNSS、RDSS頻點的接收。

2） 發射鏈路設計

由基帶芯片輸出RDSS的BPSK信號經過RX3701上變頻為L發射信號，經過衰減器、SAW濾波器及LNA放大后輸出給功放發射出去。射頻芯片默認輸出功率約為0dBm。RX3701的射頻輸出功率有24dB的可調范圍，通過軟件可以調整模塊的輸出功率，功率根據RDSS或全球短報文不同功能需求進行設置。

圖 2北斗三號模塊發射鏈路框圖

為了保證高低溫下輸出功率一致性，選用溫度補償衰減器，在-55～150℃中衰減量溫度系數不大于0.005 dB/dB/℃。發射鏈路的信號放大選用FW1112 高線性低噪聲放大器，工作頻率范圍700MHz～4000MHz。

1.2基帶電路設計

基帶芯片負責模塊的中頻AD轉換、電文解析、接口控制、授時輸出等處理。信號從射頻前端電路到射頻芯片，射頻芯片進行下變頻后到達基帶芯片進行衛星信號捕獲、跟蹤、解調、解擴、位同步、幀同步、譯碼及PVT解算等處理，輸出定位信息。該芯片支持北斗三號系統RNSS、RDSS 和全球短報文業務，實現RNSS 體制的定位、測速、授時等功能和RDSS 短報文功能/指揮功能。基帶芯片自帶12位ADC內核，可以同時接收四路IQ模擬中頻信號，對應RX3701輸出的四路模擬中頻信號，基帶芯片自帶多種IO接口，包含多路高速串口、SPI、I2C及GPIO等接口，方便進行外圍電路的設計與擴展。

基帶芯片外圍電路的主要設計有：外接一個128Mbit的SPI flash，同時在外圍擴展一個1Gb的LPDDR芯片來增加系統內存;對于RTC功能，北斗三號模塊設計有超低功耗RTC實時時鐘芯片，該芯片內置32.768KHz晶振，在-40℃～+85℃下穩定度可以達到±2ppm，并且能夠自動調整時鐘精度;為了能夠實時監測模塊及芯片的工作溫度，掌握模塊的工作狀態，增加溫度傳感器芯片，該芯片工作范圍–50°C 至150°C，分辨率最高可達0.0625℃。

因射頻通道及基帶模塊對時鐘頻率精度都有很高的要求，時鐘設計上采用兩路晶振給模塊提供時鐘，其中一路20MHz晶振給基帶芯片提供系統時鐘，保證內部ARM系統能夠正常工作。另外一路頻率穩定度可以達到±0.28ppm 的10MHz的VCTCXO給RX3701射頻芯片提供時鐘參考，在射頻芯片內部通過PLL生成五個通道的本振信號，同時生成62MHz的采樣時鐘提供給基帶芯片內部ADC及基帶模塊做信號處理。

1.3 接口

北斗三號模塊設計有多種對外接口，包含板卡調試的JTAG接口和對外接口。JTAG接口用于基帶芯片在線調試;對外接口電路包含三組串口、電源、秒脈沖等。電源設計為通用的+5V電源供電，串口設計為3路RS232電平串口，默認波特率115200bps，1位起始位，1位停止位，8位數據位，無校驗。接口協議按標準NMEA0183格式實現導航信息輸入輸出，3個接口功能一樣，均可用于與用戶進行數據交互，均可以直接連接至計算機應用軟件對模塊進行指令操作。模塊設計出1路RS485電平秒脈沖信號，在整秒的時刻輸出脈沖信號，方便用戶進行對時校時使用，授時精度在50ns范圍內（95%）。

1.4電源設計

北斗三號模塊的電源管理設計是本方案中的一個重要組成部分，電源管理設計目的是為模塊的射頻芯片、晶振、基帶芯片等提供穩定可靠、高效的電源。設計時使用DC-DC進行大跨度的電壓轉換，盡量減小LDO的轉換壓降，以提高整機的電源效率，優化整機功耗指標;使用LDO為模擬電源和晶振、射頻芯片等噪聲敏感器件供電，以降低模擬電上的噪聲，降低對射頻性能的影響。外部輸入的5V電源通過各個DC-DC及LDO轉換1.1V、1.2V、1.8V、3.3V等電壓，分別給基帶芯片、射頻芯片及外圍電路供電。由于基帶芯片所需的內核電壓，電壓值低但需要較高的峰值電流，所以這部分的電路采用DCDC的電源芯片，而射頻部分的電源要求電源比較平穩且無大的紋波，所以選用LDO穩壓芯片為射頻部分供電。

2結束語

本文選用通用的射頻芯片、基帶芯片設計出一款功能強大的北斗三號模塊，實現支持接收北斗三號多模多頻衛星導航信號，實現全球定位導航和短報文服務。其RNSS定位精度可達單頻水平≤8m，高程≤9m（95%），雙頻水平≤4m，高程≤6m（95%）、授時精度≤50ns（95%）、測速精度≤0.2m/s（95%）、短報文通信單次傳輸數據量等指標較北斗二號產品均有著較大幅度的提升。本產品的研制可應用在民用船舶、汽車、手持、固定站等平臺，可用戶提供高精度高可靠性的衛星導航服務，為全面推動北斗三號衛星導航系統的深度應用提供了重要的價值。