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用于卫星导航系统射频芯片的时钟发生器的研究与设计

作　者: 严云锋
导　师: 周健军
学　校: 上海交通大学
专　业: 电路与系统
关键词: 全球卫星导航系统 无线接收机 时钟发生器 环形振荡器
分类号: TN967.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


全球卫星导航系统(GNSS)已被广泛应用于民用应用,它可以为用户提供的绝对位置,速度和时间等基本物理量。到目前为止,美国全球定位系统(GPS)是唯一运作的全球卫星导航系统;欧盟的伽利略全球卫星导航系统已经初步部署,将在2013年投入使用;中国的新一代北斗导航系统也将在2015年投入使用。目前已投入应用系统只使用其中的一种全球卫星导航信号,由于多径干扰等一系列干扰的影响,这种系统会出现不稳定的性能。因此非常有必要设计一款能双通道同时接收GPS、伽利略和北斗导航信号的无线接收系统。本文在分析了不同结构的无线接收机系统基础上,结合实验室低功耗多模多频段GNSS接收机项目,提出了一种全新的模拟和基带时钟采样构架,在此构架中一个环形振荡器时钟发生器直接为自动增益控制环路、模数转换器和数字基带提供时钟信号。相比其他传统构架,这种基于环形振荡器时钟发生器的时钟采样构架提供了更加灵活的采样时钟频率同时降低了系统的功耗。本文主要贡献在于结合模拟和基带时钟采样构架,采用180nm CMOS工艺设计了一个基于环形振荡器的低噪声128MHz时钟发生器,为一个多模多频段的全球卫星定位接收机系统提供模数转换器的采样时钟和全数字自动增益控制系统的时钟。该环形振荡器由4个基于电流控制放大器(CSA)的延迟单元电路组成。这种差分结构减少环振荡器的相位噪声,该时钟发生器在距离中心频率1MHz的相位噪声为-113.5dBc/Hz,调谐频率从62MHz到316MHz。整个时钟发生器占据280×300μm2,包括一个双向缓冲器的功耗为1.6mW。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-11
第一章 绪论  11-16
  1.1 研究背景与意义  11-12
  1.2 课题的主要贡献  12-14
  1.3 研究内容和论文组织结构  14-16
第二章 卫星导航系统射频芯片的系统架构与频率规划  16-27
  2.1 超外差接收机（Superheterodyne Receiver）  16-18
  2.2 零中频接收机（(Homodyne Receiver）  18-20
  2.3 低中频接收机（Low-IF Receiver）  20-21
  2.4 软件无线电（Software Defined Radio）  21-22
  2.5 本文提出的卫星导航系统射频芯片系统构架和频率规划  22-26
  2.6 小结  26-27
第三章 锁相环的原理和分析  27-43
  3.1 锁相环的基本结构和原理  27-34
    3.1.1 压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator, VCO）  28-29
    3.1.2 分频器(Divider)  29-30
    3.1.3 鉴相器(Phase Detector, PD)  30-31
    3.1.4 电荷泵（Charge Pump, CP）  31-33
    3.1.5 环路滤波器(Loop Filter, LF)  33-34
  3.2 锁相环的线性化模型与噪声分析  34-38
  3.3 锁相环的特性和指标  38-41
    3.3.1 输出频率范围与频率分辨率  38-39
    3.3.2 稳定时间  39
    3.3.3 相位噪声  39-40
    3.3.4 频率准确度与稳定度  40-41
  3.4 本文采用的锁相环结构  41-42
  3.5 小结  42-43
第四章 电路设计  43-56
  4.1 环形振荡器设计  43-51
    4.1.1 压控振荡器的原理  43-45
    4.1.2 环形振荡器的原理  45-46
    4.1.3 环形振荡器的延时单元分析和设计  46-51
  4.2 鉴频鉴相器的设计  51-52
  4.3 电荷泵的设计  52-55
  4.4 双向缓冲器的设计  55
  4.5 小结  55-56
第五章 仿真和测试结果  56-66
  5.1 仿真结果  56-59
  5.2 电路版图、芯片照片与PCB设计  59-62
  5.3 测试结果  62-65
  5.4 小结  65-66
第六章 总结  66-67
参考文献  67-69
附录1  69-70
致谢  70-72
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  72-75
附录  75

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线电导航 > 各种体制的导航系统 > 卫星导航系统
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