GNSS接收机CMOS射频前端芯片系统级设计

论文摘要

以全球定位系统(GPS)为代表的全球导航卫星系统(GNSS)应用产业已经逐渐发展成为一个全球性的、多领域的高新技术产业。GNSS产业应用的不断扩展和市场的不断扩大使得市场对GNSS接收机的需求不断扩大。射频前端芯片作为GNSS无线接收机中的一个重要组成部分,其自主产权化对于我国建立完善的GNSS产业链具有重要的意义。本文主要以GPS全球定位系统为例,研究GPS接收机射频前端芯片系统级设计。射频前端的功能主要是对GPS接收机天线端接收到的微弱信号进行放大、下变频、滤波和量化,提供GPS基带芯片正常工作所需要的中频数字信号。同其它无线通信系统不同的是,迄今为止还没有对于GPS系统指标精确、完整的描述。因此GPS接收机射频前端芯片的系统级设计对GPS接收机整体设计和电路设计都具有指导意义。本文的主要目标是设计具有通用性、低功耗、高集成度的GNSS接收机射频前端芯片系统结构,主要工作是通过研究GPS系统,基于接收到的GPS射频信号和基带芯片所需的中频信号特性,确定GPS接收机射频前端芯片的整体性能要求,并根据所采用的SMIC 0.18um CMOS工艺的性能特点,确定射频前端芯片采用中频频率为4.092MHz的低中频接收机结构。本文确定了GPS接收机射频前端的主要性能参数,包括最大增益、增益动态范围、噪声系数、镜像抑制比、中频滤波器特性、相位噪声和ADC量化位数等关键性能指标。在此基础上,分配了射频前端各电路模块的性能指标,并确定了镜像抑制模块采用两级RC无源多相滤波器,可以在2MHz带宽内实现>20dB镜像抑制比。并且,本文通过ADS对所设计的GPS接收机射频前端芯片结构和系统指标进行了系统级仿真,验证了设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 GNSS 系统
• 1.1.1 全球定位系统（Global Positioning System, GPS）
• 1.1.2 伽利略（Galileo）
• 1.1.3 北斗（Compass）[3]
• 1.1.4 GLONASS（GLObal NAvigation Satellite System）[4]
• 1.2 CMOS 射频IC 系统级设计概述
• 1.3 GNSS 接收机国内外发展现状和趋势
• 1.3.1 国外发展现状和趋势
• 1.3.2 国内发展现状和趋势
• 1.4 本课题研究目标
• 1.5 本文组织结构
• 2 无线接收机射频前端设计的关键问题
• 2.1 无线接收机射频前端系统结构
• 2.1.1 超外差结构
• 2.1.2 零中频结构
• 2.1.3 低中频结构
• 2.1.4 带通采样结构
• 2.1.5 小结
• 2.2 中频的选择
• 2.3 灵敏度（Sensitivity）和噪声系数（Noise Figure）
• 2.4 交调特性（Intermodulation Characteristics）
• 3 GPS 接收机射频前端整体性能参数设计
• 3.1 GPS 卫星导航信号
• 3.1.1 GPS 卫星导航信号特性
• 3.1.2 地面GPS 卫星导航信号特性
• 3.2 SMIC 0.18umCMOS 工艺射频特性
• 3.3 GPS 接收机结构
• 3.3.1 GPS 接收机一般结构
• 3.3.2 本设计GPS 接收机射频前端芯片系统结构
• 3.3.3 Frequency Plan
• 3.4 GPS 接收机系统整体性能指标
• 3.4.1 总增益
• 3.4.2 增益动态范围（Dynamic Range, DR）
• 3.4.3 灵敏度和噪声性能
• 3.4.4 镜像抑制
• 3.4.5 IF 滤波器滤波特性
• 3.4.6 相位噪声
• 3.4.7 ADC 量化位数
• 3.5 小结
• 4 GPS 接收机射频前端各电路功能模块性能分配
• 4.1 增益、NF 和线性度
• 4.2 射频部分
• 4.3 中频部分
• 4.4 小结
• 5 GPS 接收机射频前端系统级仿真
• 5.1 接收机频谱分析
• 5.2 接收机NF、增益分布
• 5.3 小结
• 6 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文