一种多模多频北斗三号模块的设计

黄芳 李涛 何玉梅

摘要：介绍了北斗三号卫星导航系统，为了实现北斗三号卫星导航系统的深入应用，本文提出了一种基于北斗三号基带芯片、射频芯片的硬件电路设计方案。详细介绍了射频电路、基带电路、接口电路、电源电路的硬件设计框架和方法，该方法已得到实物验证，在多平台已推广应用。

关键词：北斗三号;多模多频;北斗模块

0引言

卫星导航是人类共有的财富，卫星导航系统一直以向全世界提供服务作为终极追求，具有独立自主知识产权的北斗三号卫星定位导航系统是我国重要的时空信息基础设施，具有精度高、灵敏快速、全天候、全覆盖等特点，是我国电子信息系统的重要组成部分。北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system， BDS）作为中国唯一、世界第三的全球卫星导航系统（global navigation satellite system， GNSS）4大成员之一，是我国秉承“独立自主、团结协作、攻坚克难、追求卓越”北斗精神的智慧结晶。2020年7月底北斗三号全球组网，形成全球覆盖能力，并完成全球导航定位服务功能，同时短报文功能在BDS-3中进行了保留继承和容量扩展（较BDS-2提升近10倍，最长1000个汉字），标志着北斗三号建成了完整系統（3GEO卫星+3IGSO卫星+24MEO卫星），北斗迈进全球服务新时代，为全球用户提供服务。

北斗三号具备导航定位和通信数传两大功能，可提供定位导航授时、全球短报文通信、区域短报文通信、国际搜救、星基增强、地基增强、精密单点定位共7类服务，是功能强大的全球卫星导航系统。全球范围定位精度优于10米、测速精度优于0.2米/秒、授时精度优于20纳秒、服务可用性优于99%，亚太地区性能更优。目前北斗系统已全面服务交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔、城市治理等行业，融入电力、金融、通信等国家核心基础设施建设。

1总体设计

北斗三号模块可实现北斗三号RNSS信号接收、RDSS及全球短报文信号接收与发射，完成北斗三号RNSS卫星导航定位、授时等功能，同时具备RDSS应急搜救、定位报告、报文通信等功能。北斗三号模块硬件主要是由射频部分、基带部分、接口以及电源构成。射频部分采用RX3701射频芯片来实现导航信号的收发功能。RX3701包含四个接收通道和一个发射通道，支持RNSS信号的接收和RDSS信号的收发。基带部分采用综合基带芯片及外围电路来实现导航信号处理，同时增加温度传感器来实时监测板卡、基带芯片及授权模块芯片的温度。电源部分主要是为各功能模块芯片提供稳定的供电。

图 1 北斗三号模块设计框图

1.1射频电路设计

射频部分以射频芯片RX3701为主体，并增加射频前端电路构成，用于实现接收信号的下变频处理和发射信号的上变频处理，同时输出基带芯片所需的基准时钟。该芯片包含四个接收通道和一个发射通道，是一款四收一发的多模多频射频芯片，支持GNSS 导航信号接收和RDSS 短报文信号收发，支持所有北三的RNSS和RDSS频点，性能优异。RNSS 接收通道工作频率覆盖1.15GHz～1.65GHz，RDSS 接收工作频率为2.483GHz～2.5GHz，发射工作频率覆1.61GHz～1.68GHz。

RX3701 具备极高的性能和集成度。芯片集成了包括低噪声放大器、下变频混频器、滤波器、可编程放大器、模数转换器和锁相环在内的完整接收机链路，以及滤波器，上变频混频器，功率预放大器在内的完整发射机链路。根据接收和发射频率来设计RX3701的通道配置，通道一配置B3频点，通道二配置B1、L1以及GLO G1频点，通道三配置全球短报文B2b频点，通道四配置成RDSS的接收频点，发射通道同时支持LF0-LF5频点。

1） 接收链路设计

天线接收到的卫星信号经过前端宽带LNA放大后接入模块输入端，经过两级功分，频率覆盖范围从1176.45MHz至2491.75MHz，并通过不同频点的SAW滤波后变成四路接收信号输入到RX3701射频芯片。在RX3701内进行下变频输出四路模拟中频信号提供给基带芯片进行处理。对RX3701四个通道配置不同的本振频率，以实现所有北三的RNSS、RDSS频点的接收。

2） 发射链路设计

由基带芯片输出RDSS的BPSK信号经过RX3701上变频为L发射信号，经过衰减器、SAW滤波器及LNA放大后输出给功放发射出去。射频芯片默认输出功率约为0dBm。RX3701的射频输出功率有24dB的可调范围，通过软件可以调整模块的输出功率，功率根据RDSS或全球短报文不同功能需求进行设置。

图 2北斗三号模块发射链路框图

为了保证高低温下输出功率一致性，选用温度补偿衰减器，在-55～150℃中衰减量温度系数不大于0.005 dB/dB/℃。发射链路的信号放大选用FW1112 高线性低噪声放大器，工作频率范围700MHz～4000MHz。

1.2基带电路设计

基带芯片负责模块的中频AD转换、电文解析、接口控制、授时输出等处理。信号从射频前端电路到射频芯片，射频芯片进行下变频后到达基带芯片进行卫星信号捕获、跟踪、解调、解扩、位同步、帧同步、译码及PVT解算等处理，输出定位信息。该芯片支持北斗三号系统RNSS、RDSS 和全球短报文业务，实现RNSS 体制的定位、测速、授时等功能和RDSS 短报文功能/指挥功能。基带芯片自带12位ADC内核，可以同时接收四路IQ模拟中频信号，对应RX3701输出的四路模拟中频信号，基带芯片自带多种IO接口，包含多路高速串口、SPI、I2C及GPIO等接口，方便进行外围电路的设计与扩展。

基带芯片外围电路的主要设计有：外接一个128Mbit的SPI flash，同时在外围扩展一个1Gb的LPDDR芯片来增加系统内存;对于RTC功能，北斗三号模块设计有超低功耗RTC实时时钟芯片，该芯片内置32.768KHz晶振，在-40℃～+85℃下稳定度可以达到±2ppm，并且能够自动调整时钟精度;为了能够实时监测模块及芯片的工作温度，掌握模块的工作状态，增加温度传感器芯片，该芯片工作范围–50°C 至150°C，分辨率最高可达0.0625℃。

因射频通道及基带模块对时钟频率精度都有很高的要求，时钟设计上采用两路晶振给模块提供时钟，其中一路20MHz晶振给基带芯片提供系统时钟，保证内部ARM系统能够正常工作。另外一路频率稳定度可以达到±0.28ppm 的10MHz的VCTCXO给RX3701射频芯片提供时钟参考，在射频芯片内部通过PLL生成五个通道的本振信号，同时生成62MHz的采样时钟提供给基带芯片内部ADC及基带模块做信号处理。

1.3 接口

北斗三号模块设计有多种对外接口，包含板卡调试的JTAG接口和对外接口。JTAG接口用于基带芯片在线调试;对外接口电路包含三组串口、电源、秒脉冲等。电源设计为通用的+5V电源供电，串口设计为3路RS232电平串口，默认波特率115200bps，1位起始位，1位停止位，8位数据位，无校验。接口协议按标准NMEA0183格式实现导航信息输入输出，3个接口功能一样，均可用于与用户进行数据交互，均可以直接连接至计算机应用软件对模块进行指令操作。模块设计出1路RS485电平秒脉冲信号，在整秒的时刻输出脉冲信号，方便用户进行对时校时使用，授时精度在50ns范围内（95%）。

1.4电源设计

北斗三号模块的电源管理设计是本方案中的一个重要组成部分，电源管理设计目的是为模块的射频芯片、晶振、基带芯片等提供稳定可靠、高效的电源。设计时使用DC-DC进行大跨度的电压转换，尽量减小LDO的转换压降，以提高整机的电源效率，优化整机功耗指标;使用LDO为模拟电源和晶振、射频芯片等噪声敏感器件供电，以降低模拟电上的噪声，降低对射频性能的影响。外部输入的5V电源通过各个DC-DC及LDO转换1.1V、1.2V、1.8V、3.3V等电压，分别给基带芯片、射频芯片及外围电路供电。由于基带芯片所需的内核电压，电压值低但需要较高的峰值电流，所以这部分的电路采用DCDC的电源芯片，而射频部分的电源要求电源比较平稳且无大的纹波，所以选用LDO稳压芯片为射频部分供电。

2结束语

本文选用通用的射频芯片、基带芯片设计出一款功能强大的北斗三号模块，实现支持接收北斗三号多模多频卫星导航信号，实现全球定位导航和短报文服务。其RNSS定位精度可达单频水平≤8m，高程≤9m（95%），雙频水平≤4m，高程≤6m（95%）、授时精度≤50ns（95%）、测速精度≤0.2m/s（95%）、短报文通信单次传输数据量等指标较北斗二号产品均有着较大幅度的提升。本产品的研制可应用在民用船舶、汽车、手持、固定站等平台，可用户提供高精度高可靠性的卫星导航服务，为全面推动北斗三号卫星导航系统的深度应用提供了重要的价值。