专利名称：卫星导航接收机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种通信接收设备，特别是一种卫星导航接收设备。
背景技术：
卫星导航接收机是一种扩频通信接收设备，为了实现导航、定位的功能，首先需完 成信号捕获和信号跟踪两个步骤。信号捕获实施对伪码相位和载波频率的粗略搜索，搜索 完成之后通过信号跟踪保持对接收信号的锁定功能。由于信号捕获是对伪码相位和载波频 率进行搜索，当相位和载波的不确定范围较大时，该搜索过程较长。为缩短捕获时间，接收 机采用大量硬件相关器进行并行计算。相关器数目越多，则捕获速度越快，需要的捕获时间 越短。目前，最大相关器数目已经发展到几十万甚至上百万个，相关器数目增多虽然提高了 捕获性能，但也带来了芯片面积变大、成本增加的缺点。此外，信号捕获之后实施的信号跟 踪，由于不确定范围已经大大压缩，只需少量相关器便能满足需求。因此，上述大量相关器 仅在接收机开机的捕获阶段被使用，使用效率不高。
发明内容本实用新型的目的是提供一种卫星导航接收机，要解决的技术问题是提高硬件相 关器的使用效率。本实用新型采用以下技术方案一种卫星导航接收机，所述卫星导航接收机天线、 射频前端电路、模拟/数字转换电路和数字信号处理单元顺序连接组成；数字信号处理单 元由硬件逻辑单元经数据选通开关、数据总线连接处理器和存储器；硬件逻辑单元由数字 变频电路和硬件相关器组件连接组成。本实用新型的天线采用右旋极化陶瓷介质天线，工作频率为1. 5 1. 6GHz,陶瓷 片尺寸是 25X25mm、18X 18mm、15X 15mm 或 12X12mm。本实用新型的射频前端电路采用两次变频低中频结构的MAX2741。本实用新型的模拟/数字转换电路采用4bit模数转换器。本实用新型的处理器采用16/32位精简指令系统计算机。本实用新型的存储器由ROM和RAM组成。本实用新型的数字变频器设有二个乘法器、连接在二个乘法器之间的数控振荡器 和90°相位旋转、与乘法器连接的FIR低通滤波器。本实用新型的硬件相关器组件为1个以上。本实用新型的硬件相关器组件设有二个乘法器，与乘法器连接的伪码生成器和分 别连接乘法器的累加清空器，伪码生成器和累加清空器连接处理器。本实用新型的数据选通开关采用互补金属氧化物半导体开关电路，第一 P沟道场 效应管的源极和栅极、第二 P沟道场效应管的源极和栅极连接，第一 N沟道场效应管的源极 和栅极、第二 N沟道场效应管的源极和栅极连接，第一 P沟道场效应管的栅极、第二 P沟道 场效应管的漏极和第二 N沟道场效应管的漏极连接，第二 N沟道场效应管、第二 P沟道场效应管和第一 N沟道场效应管的栅极连接，第一 N沟道场效应管和第一 P沟道场效应管的漏 极连接。本实用新型与现有技术相比，采用处理器软相关捕获和硬相关跟踪结合的结构实 现了对导航信号的跟踪和捕获，提高了硬件相关器的使用效率，减少了芯片的面积、功耗， 通过保留少量的硬件相关器完成跟踪阶段的相关处理，降低了对处理器的实时性能要求， 传统的导航接收结构中信号捕获由硬件电路实现，本实用新型中信号捕获在处理器中实 现，灵活性大大增强，降低导航接收机的硬件成本和体积。

图1是本实用新型的电路结构图。图2是数字变频器电路原理图。图3是硬件相关器电路原理图。图4是CMOS开关电路原理图。图5是本实用新型捕获处理的工作流程图。图6是本实用新型跟踪处理的工作流程图。图7是本实用新型定位处理的工作流程图。图8是本实用新型卫星导航接收机的工作时序图。图9是本实用新型的处理优先级图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。如图1所示，本实用新 型的卫星导航接收机，由天线、射频前端电路、模拟/数字A/D转换电路和数字信号处理单 元顺序连接组成。数字信号处理单元由硬件逻辑单元经数据选通开关、数据总线连接处理 器和存储器。硬件逻辑单元由数字变频电路和硬件相关器组件连接组成。天线接收的卫星导航信号，经射频前端电路变频为中频信号，该中频信号经A/D 变换为数字信号，变频为数字基带信号送至硬件相关器组件。存储器由只读内存ROM和随机存取存储器RAM组成，ROM存放处理程序以及一些 需要掉电保存的参数信息，RAM存放程序运行中的临时数据。硬件相关器组件设有一个以上硬件相关单元，如12个，每个硬件相关单元对数字 变频输出的数字基带信号和本地伪码进行相关运算，运算结果并行送至数据总线。数据选通开关在处理器的控制下进行数据选通选择，当开关闭合时，基带信号送 至数据总线并保存在RAM中，否则切断信号。处理器执行ROM中的处理程序。根据处理要求，控制数据选通开关，对存储器进行 读写操作，启动/关闭硬件相关器组件，对硬件相关器组件的本地伪码相位进行设置、实现 软件相关器组件的操作。信号捕获采用在处理器中软件的方法实现，信号捕获之后的信号跟踪处理则采用 硬件相关器电路来实现。把复杂的捕获处理通过软件非实时的实现，减低了接收机硬件的 复杂度。而跟踪处理用硬件实现，则降低了对处理器的实时性要求。作为最佳实施例，天线采用右旋极化陶瓷介质天线，工作频率为1.5 1.6GHz，陶瓷片尺寸规格是25 X 25mm、18 X 18mm、15 X 15mm或12 X 12mm,射频前端电路采用两次变频 低中频结构，如美信公司(Maxim IntegratedProducts, Inc.)的MAX2741，A/D转换电路采 用4bit模数转换器，可集成到射频前端的芯片中，如MAX2741就集成了 4bit模数转换器。 数字信号处理单元可作为一独立芯片实现，也可在300万门以上的FPGA中实现，其中数字 变频电路采用正交混频结构，硬件相关器组件采用两路的正交I、Q输入信号与一组本地伪 码进行相关累加方式实现，数据选通开关采用互补金属氧化物半导体CMOS开关电路，处理 器采用16/32位精简指令系统计算机RISC CPU，存储器采用电可擦写可编程只读存储器 EEPR0M或闪存器FLASH。如图2所示，数字变频器设有二个乘法器、连接在二个乘法器之间的数控振荡器 和90°相位旋转、与乘法器连接的FIR低通滤波器。数控振荡器接收参考信号后一路输入 至一个乘法器，另一路经90°相位旋转后输入至另一个乘法器。A/D输出的数字中频信号 与两路互为正交的数字本振信号进入乘法器相乘，其中两路互为正交的本振信号就是相位 上相差90°的周期信号，相乘后的信号通过FIR低通滤波之后，输出I、Q两路互相正交的 数字基带信号。如图3所示，硬件相关器组件设有二个乘法器，与乘法器连接的伪码生成器和分 别连接乘法器的累加清空器，伪码生成器和累加清空器接处理器。乘法器将由数字变混频 器送来的I、Q两路互为正交的数字基带信号和伪码生成器送来的伪码信号进行相乘，相乘 结果送入累加清空器进行累加和清零运算，运算结果送入处理器。处理器输出相位、频率控 制字给伪码生成器以控制其输出的伪码和相位。如图4所示，Vc是开关控制信号输入端，Vi是数字基带信号的输入端，Vo是数字 基带信号的输出端。电源电压Vdd分别与第一 P沟道场效应管PM1的源极和栅极、第二 P 沟道场效应管PM2的源极和栅极连接，第一 N沟道场效应管匪1的源极和栅极、第二 N沟道 场效应管匪2的源极和栅极衬底电压Vss连接，PM1的栅极、PM2的漏极和匪2的漏极连接 在一起。数字基带信号输入端Vi分三路分别连接匪2、PM2和匪1的栅极，数字基带信号的 输出端分二路连接匪1和PM1的漏极。处理器从功能上分为四个部分软件相关器组件、捕获处理、定位处理、跟踪处理。 软件相关器组件的作用与硬件相关器组件相同，只是这里在处理器中用软件实现。捕获处 理配置软件相关器组，对其结果进行处理，进行卫星信号的搜索和捕获。定位处理对各个通 道的伪距和电文信息进行处理，最终获得定位信息。跟踪处理配置硬件相关器组件，对其相 关结果进行处理，进行卫星信号的跟踪和锁定。如图5所示，捕获处理的工作流程为首先闭合数据选通开关，在时钟控制下采集 一段基带信号数据；配置软件相关器组件的卫星参数，主要为伪码编号、搜索的载波频率和 伪码相位搜索范围；然后启动软件相关器组件。若软件相关器组件捕获到信号，则申请一个 硬件相关器单位，配置相应伪码、载波相位信息，启动该硬件相关器；若捕获失败则跳过这 一步骤。捕获处理最后判断接收机是否定位成功，若定位成功表明接收机进入稳定状态，关 闭本模块。若未成功定位，则搜索下一颗卫星。若所有卫星都已经搜索一轮，表明本次采集 的信号中不能检测到有用信息，需重新采集进行新一轮的搜索。如图6所示，跟踪处理的工作流程为首先检测本通道状态是否有效，若有效则进 行载波和码环处理，否则检测下一个通道的状态。当进行载波和码环处理之后，对通道的状态进行一个判断，信号失锁则通道置为无效，否则通道继续有效，输出伪距、载波相位等测 量信息。然后进入下一个通道的检测。如图7所示，定位处理仅在锁定卫星数不小于4的时候才执行。定位处理的工作 流程为在定位之前，需获得伪距测量信息、导航电文解算的星历、历数等信息。当成功实现 定位之后，还需要对跟踪处理的通道进行更新，定位处理需计算当前最佳的卫星配置来重 新分配跟踪通道。在软件上，软件相关器组件和捕获处理可组合在一起。这几个部分的运算特点为 跟踪处理有的实时性要求比较高，但运算比较简单；软件相关器、捕获处理实时性要求比跟 踪处理的低，运算量非常大；定位处理实行性要求最低，运算量非常大。如图8所示，工作时序为接收机启动工作时，首先启动软件相关器、捕获处理这 部分软件，进行卫星信号的搜索和捕获。当捕获到1颗卫星信号时，启动跟踪处理以及相应 的硬件相关器单元。当捕获到4颗卫星时，定位处理启动进行定位解算。当定位成功时，关 闭捕获处理和软件相关器组件；当定位失败时，重新启动捕获处理和软件相关器组件。当信 号失锁时，相应的跟踪处理停止工作，捕获到卫星信号时又重新启动工作。由于定位处理和 捕获处理被交错安排，处理器的峰值处理要求降低了。如图9所示，跟踪处理的优先级最高，捕获处理及软件相关器运算次之，应用软件 的优先级最低。虽然上面进行了错峰设计，但仍有一部分的软件处理是重叠的，为了满足实时性 的要求，还需要分配各个部分的处理优先级。由于跟踪处理的实时性要求最高，因此其优先 级也最高，其次为捕获处理和软件相关器组件，定位处理的优先级最低。本实用新型在接收机中部分采用于卫星导航接收机的软件相关技术。首先存储 一段信号数据，然后处理器对该数据进行软件相关来实现信号捕获和跟踪的功能。由于信 号捕获并不需要周期性操作，从而对处理器性能并无特别苛刻的要求。而信号跟踪则是周 期性操作，几毫秒就需要处理一次，因此对处理器的实时性要求很高，普通处理器一般不能 胜任这一工作。如果采用高性能处理器，也会使成本增加、芯片面积变大。通过软硬件相结 合的方法，提高硬件相关器的使用效率，降低对处理器的性能要求，从而达到降低成本和功耗。
权利要求一种卫星导航接收机，其特征在于所述卫星导航接收机由天线、射频前端电路、模拟/数字转换电路和数字信号处理单元顺序连接组成；数字信号处理单元由硬件逻辑单元经数据选通开关、数据总线连接处理器和存储器；硬件逻辑单元由数字变频电路和硬件相关器组件连接组成。
2.根据权利要求1所述的卫星导航接收机，其特征在于所述天线采用右旋极化陶 瓷介质天线，工作频率为1. 5 1. 6GHz,陶瓷片尺寸是25X25謹、18X18謹、15X15謹或 12X12mm。
3.根据权利要求2所述的卫星导航接收机，其特征在于所述射频前端电路采用两次 变频低中频结构的MAX2741。
4.根据权利要求3所述的卫星导航接收机，其特征在于所述模拟/数字转换电路采 用4bit模数转换器。
5.根据权利要求4所述的卫星导航接收机，其特征在于所述处理器采用16/32位精 简指令系统计算机。
6.根据权利要求5所述的卫星导航接收机，其特征在于所述存储器由ROM和RAM组成。
7.根据权利要求6所述的卫星导航接收机，其特征在于所述数字变频器设有二个乘 法器、连接在二个乘法器之间的数控振荡器和90°相位旋转、与乘法器连接的FIR低通滤 波器。
8.根据权利要求7所述的卫星导航接收机，其特征在于所述硬件相关器组件为1个 以上。
9.根据权利要求8所述的卫星导航接收机，其特征在于所述硬件相关器组件设有二 个乘法器，与乘法器连接的伪码生成器和分别连接乘法器的累加清空器，伪码生成器和累 加清空器连接处理器。
10.根据权利要求9所述的卫星导航接收机，其特征在于所述数据选通开关采用互补 金属氧化物半导体开关电路，第一 P沟道场效应管(PM1)的源极和栅极、第二 P沟道场效应 管(PM2)的源极和栅极连接，第一 N沟道场效应管(匪1)的源极和栅极、第二 N沟道场效应 管(匪2)的源极和栅极连接，第一P沟道场效应管(PM1)的栅极、第二P沟道场效应管(PM2) 的漏极和第二 N沟道场效应管(匪2)的漏极连接，第二 N沟道场效应管(匪2)、第二 P沟道 场效应管(PM2)和第一 N沟道场效应管(匪1)的栅极连接，第一 N沟道场效应管(匪1)和 第一 P沟道场效应管(PM1)的漏极连接。
专利摘要本实用新型公开了一种卫星导航接收机，要解决的技术问题是提高硬件相关器的使用效率。本实用新型的卫星导航接收机由天线、射频前端电路、模拟/数字转换电路和数字信号处理单元顺序连接组成；数字信号处理单元由硬件逻辑单元经数据选通开关、数据总线连接处理器和存储器；硬件逻辑单元由数字变频电路和硬件相关器组件连接组成。本实用新型与现有技术相比，采用处理器软相关捕获和硬相关跟踪结合的结构实现了对导航信号的跟踪和捕获，提高了硬件相关器的使用效率，减少了芯片的面积、功耗，降低了对处理器的实时性能要求，降低导航接收机的硬件成本和体积。
文档编号G01S19/24GK201607532SQ20102005674
公开日2010年10月13日 申请日期2010年1月19日 优先权日2010年1月19日
发明者李耿民, 许晓勇 申请人:深圳市星芯趋势科技有限责任公司