基于MAX2742型電路的GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]討論MAX2742型GPS接收系統(tǒng)射頻前端電路的特性及工作原理，介紹以其為基礎(chǔ)的GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)，給出電路結(jié)構(gòu)框圖。
摘要：討論MAX2742型GPS接收系統(tǒng)射頻前端電路的特性及工作原理，介紹以其為基礎(chǔ)的GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)，給出電路結(jié)構(gòu)框圖。
關(guān)鍵詞：GPS；MAX2742；CXD2932；衛(wèi)星定位；射頻；接收機(jī)
中圖分類號(hào)：TN753.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1006-6977（2006）01-0035-03
1 引言
GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號(hào)的接收設(shè)備即GPS信號(hào)接收機(jī)，就可以在任何時(shí)候用GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位測量。GPS信號(hào)接收機(jī)的功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理、以便測量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測站的3維位置甚至3維速度和時(shí)間。
典型GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1575.42MHz的GPS信號(hào)在進(jìn)入下變頻IC前，先經(jīng)過低噪聲放大器（LNA）和濾波器（RF SAW）。低噪聲放大器是GPS射頻接收器中最重要的部分，這個(gè)放大器基本上可以決定整個(gè)接收機(jī)的噪聲大小，因此，LNA是接收機(jī)靈敏度的直接決定因素。射頻信號(hào)經(jīng)過下變頻IC后將單端或差分IF信號(hào)輸出給GPS基帶數(shù)字信號(hào)處理單元。
經(jīng)GPS基帶DSP處理后的定位信息遵循NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)，通過串行數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)與GSM模塊、PDA設(shè)備、便攜式PC等數(shù)字處理終端設(shè)備的通信。數(shù)字處理終端通過網(wǎng)絡(luò)和專用軟件實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用，比如通過地理信息系統(tǒng)（GIS）實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的追蹤定位等。
2 MAX2742特點(diǎn)
利用MAX2742型CMOS RF前端GPS接收機(jī)電路，附加極少的外部元件，即可構(gòu)成一種完整的GPS解決方案。這款性能優(yōu)異的電路只需消耗極低的功率（32mW，2.4V），并且不需要昂貴的IF SAW濾波器和體積龐大的分立IF SAW濾波器。MAX2742內(nèi)部集成了低噪聲放大器（LNA）、混頻器、BPF、自動(dòng)增益控制放大器（AGC）、本振合成器、時(shí)鐘緩沖器和內(nèi)部數(shù)字采樣器。該電路能夠與許多商用GPS基帶IC接口，適合多種應(yīng)用，其中包括汽車導(dǎo)航、遠(yuǎn)程信息處理、自動(dòng)安全監(jiān)控、資產(chǎn)跟蹤、定位服務(wù)（LBS）及其他消費(fèi)類電子產(chǎn)品。
MAX2742工作于18.414MHz晶振或TXCO，可通過IFSEL引腳（引腳10）來選擇差分或單端IF輸出（1.023MHz）。總的信號(hào)變換增益為120dB，噪聲系數(shù)4.5dB，IF信號(hào)以18.414MHz的參考時(shí)鐘頻率進(jìn)行采樣。
MAX2742采用48引腳TQFP封裝，尺寸僅為9mm×9mm，可工作于－40℃－＋85℃范圍。
3 MAX2742工作原理
3.1 高性能內(nèi)置LNA
圖2示出MAX2742的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。MAX2742采用高性能的內(nèi)置LNA實(shí)現(xiàn)二級(jí)濾波，極大地降低了干擾信號(hào)對接收機(jī)性能的兩種負(fù)面影響：第一，如果帶外濾波不充分，干擾信號(hào)可能會(huì)引起低噪聲放大器或降頻變換器非線性工作，這會(huì)造成不真實(shí)輸出或加大接收器的噪聲系數(shù)；第二，如果解調(diào)器的干擾信號(hào)過大，則接收器處理的信號(hào)不真實(shí)，不能輸出定位信息。
3.2 中頻濾波
IF信號(hào)通過一個(gè)IF濾波器實(shí)現(xiàn)對帶外毛刺達(dá)60dB和對鏡像噪聲達(dá)18dB的抑制。經(jīng)過鏡像抑制濾波器之后，信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘中盘?hào)。經(jīng)過濾波的IF信號(hào)被AGC模塊放大，AGC模塊通過使用50dB的動(dòng)態(tài)范圍將VGA輸出信號(hào)水平設(shè)置為一個(gè)預(yù)定值。內(nèi)部的偏移抵消裝置將為大約100kHz的1dB拐角頻率的IF信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)高通特性。
3.3 鎖相環(huán)設(shè)計(jì)
MAX2742內(nèi)部VCO提供積差分LO（Local Oscillator－本機(jī)振蕩器）信號(hào)給下變頻混頻器并控制這一頻率。一個(gè)板上TCXO產(chǎn)生參考頻率。這種集成合成器包含VCO、TCXO緩沖器、主頻率分割器、相頻探測器和電荷泵。它用一個(gè)獨(dú)立PLL濾波器和TCXO。TCXO的輸出端通過一個(gè)耦合電容器連接到電路的XTALIN1和XTALIN2引腳。
4 基于MAX2742的GPS接收機(jī)
4.1 射頻輸入
圖3示出基于MAX2742的GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。1575.42MHz的L1 GPS的信號(hào)由天線接收后獲得1.5dB噪聲和20dB增益，經(jīng)過LNA（MAX2654）進(jìn)行放大。MAX2654工作在1575MHz的GPS頻段，增益為14.1dB，噪聲系數(shù)為1.45dB，電流消耗僅為8.3mA。放大后的信號(hào)輸入到SAW（NSVS658），實(shí)現(xiàn)37dB的帶外抑制，僅產(chǎn)生3dB的插入損耗。NSVS658具有50Ω的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出阻抗，信號(hào)在輸入MAX2742（7引腳）時(shí)，需要外接阻抗匹配電路。
4.2 電源濾波
MAX2742采用統(tǒng)一VDD供電，在給高頻放大和混頻模塊供電時(shí)（3，4，12，17，23，25，32引腳）需采用濾波電路，在設(shè)計(jì)外部電路和印制電路板時(shí)必須注意。一般用兩只旁路電容器與各個(gè)引腳相連，一個(gè)用于過濾高頻元件的干擾信號(hào)，另一個(gè)用于過濾低頻元件的干擾信號(hào)。這兩個(gè)電容應(yīng)盡量靠近各個(gè)引腳，以減小線路的感應(yīng)系數(shù)；同理，這兩個(gè)電容器的另一端應(yīng)盡量靠近地。設(shè)計(jì)中，注意到上述問題，放大器的工作會(huì)很穩(wěn)定；反之，射頻輸入可能會(huì)很不穩(wěn)定。
4.3 天線控制模塊
使用p溝道MOSFET和電流感應(yīng)電阻器控制天線供電。感應(yīng)電阻把天線的供電信息反饋給CXD2932有三種可能狀態(tài)：正常、短路和開路。
4.4 基帶處理電路
CXD2932是GPS衛(wèi)星定位測量系統(tǒng)專用的大規(guī)模集成電路。這個(gè)電路包含一個(gè)32－bit RISC CPU、衛(wèi)星追蹤電路、2M－bit掩模型ROM、RAM、UART和內(nèi)部時(shí)鐘等。這個(gè)電路配合RF電路（即上文介紹的MAX2742）能夠?qū)崿F(xiàn)各種定位和導(dǎo)航。
CXD2932具有以下特點(diǎn)：16通道GPS接收機(jī)能夠同時(shí)接收16顆衛(wèi)星的信號(hào)；支持差分GPS；符合RTCM SC－104 Ver2.1；支持DARC（Direct Access Radar Channel直接存取雷達(dá)波道）全視野（ALL－IN－VIEW）測量；時(shí)鐘支持GPS時(shí)間；32－bit RISC CPU；256KB 編程ROM；40KB RAM；電源管理功能；1PPS支持；2通道UART；4通道內(nèi)部時(shí)鐘；16－bit多用途I/O端口；12－bit逐次近似系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器（4通道模擬開關(guān)）。
4.5 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要指設(shè)置GPS接收模塊與MCU之間的串口通信、參數(shù)顯示及人機(jī)接口。主要包括初始化、串口通信、數(shù)據(jù)處理、故障提示、顯示、鍵盤處理、電源管理等部分。其中，初始化包括CXD2932中各種寄存器的配置、串口相關(guān)參數(shù)配置（波特率、模式）及外圍電路（LCD、電源等設(shè)備檢測）的初始化等。串口通信包括數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗(yàn)和通信故障提示等。數(shù)據(jù)處理主要是對接收數(shù)據(jù)的解碼、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)刷新等。故障提示包括設(shè)備故障、通信故障和電源故障等。電源管理主要是電源欠壓提示和當(dāng)前電源狀態(tài)顯示。圖4示出軟件程序流程。
4.6 PCB的布局規(guī)則
在對PCB進(jìn)行布局時(shí)，旁路電阻器應(yīng)盡量靠近器件引腳。某些重要元件可以布置在MAX2742的背面，使得MAX2742到這些元件的路徑盡量短。壓控振蕩器可能會(huì)與阻抗引起共振，在PCB布局時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。L頻段的輸入和轉(zhuǎn)換器之間如果靠得太近，也可能會(huì)產(chǎn)生電流耦合。在應(yīng)用中，如果產(chǎn)生這種耦合，接收器對干擾信號(hào)非常敏感。為了減少這種耦合，可采用帶狀線結(jié)構(gòu)，而不采用微波傳輸帶結(jié)構(gòu)。這個(gè)完整的解決方案僅占用25mm×25mm的PCB空間。圖5示出PCB的頂層和底層絲印圖。
5 結(jié)束語
文中提出了一套較完整的GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)方案。在器材選擇上充分考慮到GPS系統(tǒng)的手持及車載應(yīng)用，做到了電流小、功耗低、發(fā)熱量低、穩(wěn)定性好、靈敏度高、快速快；在電路及PCB設(shè)計(jì)中充分考慮了微波電路的特殊性，力爭將各種干擾降到最低。
關(guān)鍵詞：GPS；MAX2742；CXD2932；衛(wèi)星定位；射頻；接收機(jī)
中圖分類號(hào)：TN753.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1006-6977（2006）01-0035-03
1 引言
GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號(hào)的接收設(shè)備即GPS信號(hào)接收機(jī)，就可以在任何時(shí)候用GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位測量。GPS信號(hào)接收機(jī)的功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理、以便測量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測站的3維位置甚至3維速度和時(shí)間。
典型GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1575.42MHz的GPS信號(hào)在進(jìn)入下變頻IC前，先經(jīng)過低噪聲放大器（LNA）和濾波器（RF SAW）。低噪聲放大器是GPS射頻接收器中最重要的部分，這個(gè)放大器基本上可以決定整個(gè)接收機(jī)的噪聲大小，因此，LNA是接收機(jī)靈敏度的直接決定因素。射頻信號(hào)經(jīng)過下變頻IC后將單端或差分IF信號(hào)輸出給GPS基帶數(shù)字信號(hào)處理單元。
經(jīng)GPS基帶DSP處理后的定位信息遵循NMEA0183標(biāo)準(zhǔn)，通過串行數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)與GSM模塊、PDA設(shè)備、便攜式PC等數(shù)字處理終端設(shè)備的通信。數(shù)字處理終端通過網(wǎng)絡(luò)和專用軟件實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用，比如通過地理信息系統(tǒng)（GIS）實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的追蹤定位等。
2 MAX2742特點(diǎn)
利用MAX2742型CMOS RF前端GPS接收機(jī)電路，附加極少的外部元件，即可構(gòu)成一種完整的GPS解決方案。這款性能優(yōu)異的電路只需消耗極低的功率（32mW，2.4V），并且不需要昂貴的IF SAW濾波器和體積龐大的分立IF SAW濾波器。MAX2742內(nèi)部集成了低噪聲放大器（LNA）、混頻器、BPF、自動(dòng)增益控制放大器（AGC）、本振合成器、時(shí)鐘緩沖器和內(nèi)部數(shù)字采樣器。該電路能夠與許多商用GPS基帶IC接口，適合多種應(yīng)用，其中包括汽車導(dǎo)航、遠(yuǎn)程信息處理、自動(dòng)安全監(jiān)控、資產(chǎn)跟蹤、定位服務(wù)（LBS）及其他消費(fèi)類電子產(chǎn)品。
MAX2742工作于18.414MHz晶振或TXCO，可通過IFSEL引腳（引腳10）來選擇差分或單端IF輸出（1.023MHz）。總的信號(hào)變換增益為120dB，噪聲系數(shù)4.5dB，IF信號(hào)以18.414MHz的參考時(shí)鐘頻率進(jìn)行采樣。
MAX2742采用48引腳TQFP封裝，尺寸僅為9mm×9mm，可工作于－40℃－＋85℃范圍。
3 MAX2742工作原理
3.1 高性能內(nèi)置LNA
圖2示出MAX2742的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。MAX2742采用高性能的內(nèi)置LNA實(shí)現(xiàn)二級(jí)濾波，極大地降低了干擾信號(hào)對接收機(jī)性能的兩種負(fù)面影響：第一，如果帶外濾波不充分，干擾信號(hào)可能會(huì)引起低噪聲放大器或降頻變換器非線性工作，這會(huì)造成不真實(shí)輸出或加大接收器的噪聲系數(shù)；第二，如果解調(diào)器的干擾信號(hào)過大，則接收器處理的信號(hào)不真實(shí)，不能輸出定位信息。
3.2 中頻濾波
IF信號(hào)通過一個(gè)IF濾波器實(shí)現(xiàn)對帶外毛刺達(dá)60dB和對鏡像噪聲達(dá)18dB的抑制。經(jīng)過鏡像抑制濾波器之后，信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘中盘?hào)。經(jīng)過濾波的IF信號(hào)被AGC模塊放大，AGC模塊通過使用50dB的動(dòng)態(tài)范圍將VGA輸出信號(hào)水平設(shè)置為一個(gè)預(yù)定值。內(nèi)部的偏移抵消裝置將為大約100kHz的1dB拐角頻率的IF信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)高通特性。
3.3 鎖相環(huán)設(shè)計(jì)
MAX2742內(nèi)部VCO提供積差分LO（Local Oscillator－本機(jī)振蕩器）信號(hào)給下變頻混頻器并控制這一頻率。一個(gè)板上TCXO產(chǎn)生參考頻率。這種集成合成器包含VCO、TCXO緩沖器、主頻率分割器、相頻探測器和電荷泵。它用一個(gè)獨(dú)立PLL濾波器和TCXO。TCXO的輸出端通過一個(gè)耦合電容器連接到電路的XTALIN1和XTALIN2引腳。
4 基于MAX2742的GPS接收機(jī)
4.1 射頻輸入
圖3示出基于MAX2742的GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。1575.42MHz的L1 GPS的信號(hào)由天線接收后獲得1.5dB噪聲和20dB增益，經(jīng)過LNA（MAX2654）進(jìn)行放大。MAX2654工作在1575MHz的GPS頻段，增益為14.1dB，噪聲系數(shù)為1.45dB，電流消耗僅為8.3mA。放大后的信號(hào)輸入到SAW（NSVS658），實(shí)現(xiàn)37dB的帶外抑制，僅產(chǎn)生3dB的插入損耗。NSVS658具有50Ω的標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出阻抗，信號(hào)在輸入MAX2742（7引腳）時(shí)，需要外接阻抗匹配電路。
4.2 電源濾波
MAX2742采用統(tǒng)一VDD供電，在給高頻放大和混頻模塊供電時(shí)（3，4，12，17，23，25，32引腳）需采用濾波電路，在設(shè)計(jì)外部電路和印制電路板時(shí)必須注意。一般用兩只旁路電容器與各個(gè)引腳相連，一個(gè)用于過濾高頻元件的干擾信號(hào)，另一個(gè)用于過濾低頻元件的干擾信號(hào)。這兩個(gè)電容應(yīng)盡量靠近各個(gè)引腳，以減小線路的感應(yīng)系數(shù)；同理，這兩個(gè)電容器的另一端應(yīng)盡量靠近地。設(shè)計(jì)中，注意到上述問題，放大器的工作會(huì)很穩(wěn)定；反之，射頻輸入可能會(huì)很不穩(wěn)定。
4.3 天線控制模塊
使用p溝道MOSFET和電流感應(yīng)電阻器控制天線供電。感應(yīng)電阻把天線的供電信息反饋給CXD2932有三種可能狀態(tài)：正常、短路和開路。
4.4 基帶處理電路
CXD2932是GPS衛(wèi)星定位測量系統(tǒng)專用的大規(guī)模集成電路。這個(gè)電路包含一個(gè)32－bit RISC CPU、衛(wèi)星追蹤電路、2M－bit掩模型ROM、RAM、UART和內(nèi)部時(shí)鐘等。這個(gè)電路配合RF電路（即上文介紹的MAX2742）能夠?qū)崿F(xiàn)各種定位和導(dǎo)航。
CXD2932具有以下特點(diǎn)：16通道GPS接收機(jī)能夠同時(shí)接收16顆衛(wèi)星的信號(hào)；支持差分GPS；符合RTCM SC－104 Ver2.1；支持DARC（Direct Access Radar Channel直接存取雷達(dá)波道）全視野（ALL－IN－VIEW）測量；時(shí)鐘支持GPS時(shí)間；32－bit RISC CPU；256KB 編程ROM；40KB RAM；電源管理功能；1PPS支持；2通道UART；4通道內(nèi)部時(shí)鐘；16－bit多用途I/O端口；12－bit逐次近似系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器（4通道模擬開關(guān)）。
4.5 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)主要指設(shè)置GPS接收模塊與MCU之間的串口通信、參數(shù)顯示及人機(jī)接口。主要包括初始化、串口通信、數(shù)據(jù)處理、故障提示、顯示、鍵盤處理、電源管理等部分。其中，初始化包括CXD2932中各種寄存器的配置、串口相關(guān)參數(shù)配置（波特率、模式）及外圍電路（LCD、電源等設(shè)備檢測）的初始化等。串口通信包括數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、校驗(yàn)和通信故障提示等。數(shù)據(jù)處理主要是對接收數(shù)據(jù)的解碼、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)刷新等。故障提示包括設(shè)備故障、通信故障和電源故障等。電源管理主要是電源欠壓提示和當(dāng)前電源狀態(tài)顯示。圖4示出軟件程序流程。
4.6 PCB的布局規(guī)則
在對PCB進(jìn)行布局時(shí)，旁路電阻器應(yīng)盡量靠近器件引腳。某些重要元件可以布置在MAX2742的背面，使得MAX2742到這些元件的路徑盡量短。壓控振蕩器可能會(huì)與阻抗引起共振，在PCB布局時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。L頻段的輸入和轉(zhuǎn)換器之間如果靠得太近，也可能會(huì)產(chǎn)生電流耦合。在應(yīng)用中，如果產(chǎn)生這種耦合，接收器對干擾信號(hào)非常敏感。為了減少這種耦合，可采用帶狀線結(jié)構(gòu)，而不采用微波傳輸帶結(jié)構(gòu)。這個(gè)完整的解決方案僅占用25mm×25mm的PCB空間。圖5示出PCB的頂層和底層絲印圖。
5 結(jié)束語
文中提出了一套較完整的GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)方案。在器材選擇上充分考慮到GPS系統(tǒng)的手持及車載應(yīng)用，做到了電流小、功耗低、發(fā)熱量低、穩(wěn)定性好、靈敏度高、快速快；在電路及PCB設(shè)計(jì)中充分考慮了微波電路的特殊性，力爭將各種干擾降到最低。
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