基于MAX2769的軟件GPS接收機(jī)射頻前端設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的硬件接收機(jī)相比較，軟件GPS接收機(jī)需要獲取中頻采樣數(shù)據(jù)。采樣數(shù)據(jù)的獲取一般有兩種途徑，一種是通過硬件模擬或硬件直接接收衛(wèi)星信號，另一種是通過軟件模擬產(chǎn)生信號[1]。軟件方式可以應(yīng)用在對算法的研究上，然而在實(shí)時(shí)接收機(jī)中，設(shè)計(jì)低成本、高性能的前端放大器是最直接有效的方式。
　MAX2769是業(yè)內(nèi)第一款通用的GNSS接收機(jī)芯片，它,不但可以用于GPS還可以應(yīng)用于Galileo，GLONASS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。
　MAX2769采用Maxim公司的低功耗工藝技術(shù)，該器件集成了完整的接收機(jī)鏈路，包括雙輸入低噪聲放大器（LNA）以及混頻器（MIXER）、鏡像抑制濾波器(IRF)、可編程增益放大器（PGA）、VCO、N分頻頻率合成器、晶體振蕩器以及多位ADC。MAX2769所具有的高集成度使其省去了有源天線應(yīng)用中所需的外部LNA以及外部IF聲表面波濾波器。因此，該器件僅需少量外部元件，即可構(gòu)建完整的低成本GPS接收機(jī)方案,實(shí)現(xiàn)低達(dá)1.4 dB的噪聲系數(shù)。
　MAX2769集成的?撞-?駐N分頻頻率合成器可實(shí)現(xiàn)±40 Hz精度的中頻編程，從而與主機(jī)系統(tǒng)所提供的任意基準(zhǔn)或晶體頻率配合工作。集成的ADC輸出可以同時(shí)為I和Q通道輸出一個(gè)或兩個(gè)量化位或者為I通道輸出三個(gè)量化位。輸出數(shù)據(jù)采用CMOS或受限的差分邏輯電平。MAX2769適合汽車導(dǎo)航、資產(chǎn)跟蹤、蜂窩手持設(shè)備、便攜式導(dǎo)航設(shè)備(PND)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等。通過外圍電路的擴(kuò)展，MAX2769芯片可以擴(kuò)展成USB輸出。
1 GPS信號的構(gòu)成
   GPS的信號由三部分組成： 載波、導(dǎo)航數(shù)據(jù)和擴(kuò)頻序列。載波即為GPS衛(wèi)星L波段上的兩個(gè)無線電頻率，包括鏈路L1和L2，其中心頻率如下：
    L1:f_L1=1 575.42 MHz
    L2:f_L2=1 227.60 MHz   
    導(dǎo)航數(shù)據(jù)包含衛(wèi)星軌道的相關(guān)信息,比特流為50 b/s，擴(kuò)頻序列是由偽隨機(jī)序列組成的一組碼，包括粗捕獲碼(C/A)和加密精確碼((P(Y))。C/A為速率為1.023 MHz的二相調(diào)制信號，主瓣兩個(gè)零值之間為2.046 MHz，C/A可由多位移位寄存器產(chǎn)生,由于C/A碼有很好的自相關(guān)性，所以可以用它來搜索衛(wèi)星信號。
    L1上的信號可以表示為：
   
    Ap是P碼的振幅，P(t)為P碼的相位，D(t)表示數(shù)據(jù)碼，f1表示L1的頻率，Ac是C/A碼的振幅，C(t)表示C/A的相位。
    GPS系統(tǒng)屬于簡單的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。首先，將50 bps的導(dǎo)航數(shù)據(jù)重復(fù)20次產(chǎn)生1 000 b/s的數(shù)據(jù)流,然后C/A擴(kuò)頻，這樣，就產(chǎn)生了1.023 Mb/s的基帶信號。事實(shí)上，接收機(jī)接收到的來自衛(wèi)星的信號是被完全淹沒在接收機(jī)的噪聲當(dāng)中，熱噪聲功率為：

    衛(wèi)星信號的功率約為-160 dB，顯然，熱噪聲功率大于接收機(jī)衛(wèi)星信號的功率，因此，衛(wèi)星信號不能從頻譜分析儀上直接觀察到，但通過解擴(kuò)，接收機(jī)總增益可以將淹沒于噪聲的導(dǎo)航信號恢復(fù)出來。
2 GPS L1前端構(gòu)成
    射頻前端主要包括帶通濾波器(BPF)、LNA、混頻器/振蕩器和ADC，圖1是GPS L1的前端示意圖[2]。

    帶通濾波器是一個(gè)頻率選擇性器件，只允許某些頻率通過并使其他頻率成份衰減。
    混頻器/振蕩器的功能是把輸入的1 575.42 MHz 的RF載波轉(zhuǎn)換到更低的中頻(IF)上，同時(shí)不改變調(diào)制信號的結(jié)構(gòu)。其原理如圖2所示。

    混頻器的功能可以用公式(4)表示：


混頻器的輸出為頻率之差與頻率之和，有用的是差頻，也即中頻（IF），而和頻可由濾波器濾掉。
    模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。MAX2769模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理如圖3所示。MAX2769的模數(shù)轉(zhuǎn)換器支持三種格式，格式的選擇可以通過設(shè)置配置寄存器的0001地址的FORMAT數(shù)據(jù)位來，設(shè)置成00表示采用無符號二進(jìn)制，設(shè)置成01表示采用符號/量值,設(shè)置成10或11表示雙二進(jìn)制補(bǔ)碼，默認(rèn)設(shè)置為01。

    數(shù)據(jù)位可以通過BITS位來設(shè)置，其他各種設(shè)置都可以通過設(shè)置寄存器的相應(yīng)數(shù)據(jù)位來實(shí)現(xiàn)。
3  MAX2769前端芯片設(shè)計(jì)
    MAX2769芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要管腳功能參見參考文獻(xiàn)[3]。

    由于MAX2769所具有的高集成度使其省去了有源天線應(yīng)用中所需的外部LNA以及外部IF聲表面波濾波器。因此僅需要很少的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)完整的低成本的GPS軟件接收機(jī)。
　MAX2769內(nèi)置了配置寄存器，許多配置可以通過串行輸入端口對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行設(shè)置。
　GPS天線分為有源天線和無源天線，具體使用哪一種，要根據(jù)不同的應(yīng)用情況決定。MAX2769提供兩種方案，并且能夠自動檢測天線的電流消耗來切換LNA1和LNA2，當(dāng)插入靈敏度較高的有源天線時(shí)，能夠自動替代無源天線的應(yīng)用。在實(shí)際使用中，建議設(shè)計(jì)人員將外部天線接到LNA2，內(nèi)部天線接到LNA1，這樣可以實(shí)現(xiàn)自動切換。
   使用無源天線時(shí)，GPS天線通過BNC接頭，先通過一個(gè)交流耦合電容C0接入管腳LNA1，默認(rèn)模式下，偏置電流設(shè)置為4 mA，典型的噪聲系數(shù)為0.83 dB, IP3為-1.1 dBm。
   信號經(jīng)再次濾波后，輸入混頻器，MAX2769包括一個(gè)正交混頻器，可以輸出低中頻或零中頻I和Q信號。正交混頻器需要低端LO注入才能將內(nèi)阻匹配到50 Ω，LNA的輸出和正交混頻器的輸入設(shè)計(jì)在芯片外部，以方便聲表面波濾波器的使用。
   MAX2769集成了基帶可編程增益放大器(PGA)，其增益可以通過設(shè)置寄存器的0001地址的GAININ來更改，設(shè)置GAINREF可以更改自動增益控制（AGC）模式。
   MAX2769提供了一個(gè)控制回路自動調(diào)節(jié)PGA的增益，提供給ADC一個(gè)輸入功率最匹配的轉(zhuǎn)換器并有理想的數(shù)據(jù)精度。
   MAX2769的基帶濾波器可以設(shè)置成低通或復(fù)雜的帶通濾波器，通帶3 dB帶寬可選擇為2.5 MHz、4.2 MHz、8 MHz或18 MHz（只用作低通濾波器），當(dāng)0000地址的FCENX位設(shè)置為1時(shí)，低通濾波器變?yōu)閹V波器，其中心頻率可以由FCEN位來設(shè)置。
   MAX2769集成了一個(gè)20位?撞-?駐N分頻合成器,允許設(shè)備以±40 Hz的精度對所需的VCO頻率進(jìn)行調(diào)節(jié),范圍從8 MHz~44 MHz。
   PLL回路濾波器是合成器的唯一的外部模塊,其典型結(jié)構(gòu)為一個(gè)C-R-C網(wǎng)絡(luò)。
   MAX2769提供了一個(gè)芯片內(nèi)部晶振,使用時(shí)需要一個(gè)并行晶振，建議晶振和交流耦合電容一同使用來調(diào)節(jié)晶振頻率的中心。
   MAX2769提供了參考時(shí)鐘輸出,可以通過調(diào)整PLL配置寄存器的REFDIV來調(diào)整[4]。
   MAX2769的ADC的最高頻率可以達(dá)到50 MHz。輸出端口有2組，可以通過設(shè)置寄存器IQEN數(shù)據(jù)位來更改輸出端口，默認(rèn)設(shè)置為只使用I口輸出，默認(rèn)數(shù)據(jù)位為2位。
   MAX2769同時(shí)提供了低功耗模式,在這種情況下,總電流消耗可降到10 mA，總噪聲級聯(lián)系數(shù)可以提高到3.8 dB。
   MAX2769提供了115 dB的總增益,捕獲靈敏度達(dá)-143 dB，跟蹤靈敏度達(dá)-154 dB[5]。
4 USB輸出擴(kuò)展
　USB是新型的接口技術(shù)，它使用方便、速度快、連接靈活、獨(dú)立供電，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到鼠標(biāo)、鍵盤、游戲手柄、掃描儀、Modem、數(shù)碼攝像機(jī)、網(wǎng)卡、Hub和顯示器中。
　USB接口的GPS L1軟件接收機(jī)把前端放大器、天線和USB口轉(zhuǎn)換芯片集成在一起，通過一段1 m～1.5 m的線纜連接到USB口。USB接口既可以傳遞GPS定位信息，也可以向模塊供電。這種設(shè)計(jì)非常適合筆記本電腦和車輛導(dǎo)航。在車輛導(dǎo)航時(shí)，USB接收機(jī)可以放到車外并吸附到車頂上，最大限度地接收衛(wèi)星信號。
　MAX2769的USB輸出擴(kuò)展原理圖如圖4所示，衛(wèi)星信號通過LNA1進(jìn)入混頻器，然后經(jīng)過ADC進(jìn)行數(shù)字化，接著通過計(jì)數(shù)器和USB接口控制器，控制器的參考晶振為24 MHz，SPI用來對MAX2769的寄存器進(jìn)行設(shè)置。衛(wèi)星數(shù)據(jù)由USB協(xié)議傳輸給PC機(jī)，通過PC主機(jī)軟件執(zhí)行所有基帶功能，可以將定位信息顯示在PC上。當(dāng)然，也可以通過DSP、FPGA、ARM等進(jìn)行軟件解算。

   MAX2769集成度高、簡單易用，為軟件GPS接收機(jī)前端放大器的設(shè)計(jì)提供了方便，其參數(shù)可調(diào)的特性可以提供寬范圍的輸出，MAX2769成本低、通用性強(qiáng)、性能高、體積小的特性，將會進(jìn)一步促進(jìn)軟件GNSS接收機(jī)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1]  JULIEN O, ZHENG Bo, DONG Lei, et al. A complete software-based IF GNSS signal generator for software receiver development. Department of Geometrics Engineering, university of Calgary, ION GNSS 2004,Sept.21-24. Long Beach, CA.
[2]  BORRE K. A software-defined GPS and galileo receiver: single-frequency approach. Aalborg University, Dennis Akos, University of Colorado.
[3]  Maxin Universal GPS Receiver, Max2769 chip data sheet
[4]  WEBER D.筆記本電腦借助GPS RF前端實(shí)現(xiàn)軟件基帶處理[J].電子技術(shù)應(yīng)用, 2008，34(1):5-8.
[5]  WEBER D. Universal GPS receiver lets you use a laptop PC for soft baseband processing, Roger, Maxim application    notes,2008,9(5).