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[導讀]討論MAX2742型GPS接收系統(tǒng)射頻前端電路的特性及工作原理,介紹以其為基礎的GPS接收機的設計,給出電路結構框圖。

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,介紹以其為基礎的GPS接收機的設計,給出電路結構框圖。 
關鍵詞:GPS;MAX2742;CXD2932;衛(wèi)星定位;射頻;接收機 
中圖分類號:TN753.8  文獻標識碼:B  文章編號:1006-6977(2006)01-0035-03 

1 引言   
    GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號是一種可供無數(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信號的接收設備即GPS信號接收機,就可以在任何時候用GPS信號進行導航定位測量。GPS信號接收機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,并跟蹤這些衛(wèi)星的運行,對接收到的GPS信號進行變換、放大和處理、以便測量出GPS信號從衛(wèi)星接收機天線的傳播時間,解譯GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文,實時地計算出測站的3維位置甚至3維速度和時間。  

    典型GPS接收機的結構如圖1所示。 

     1575.42MHz的GPS信號在進入下變頻IC前,先經過低噪聲放大器(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,這個放大器基本上可以決定整個接收機的噪聲大小,因此,LNA是接收機靈敏度的直接決定因素。射頻信號經過下變頻IC后將單端或差分IF信號輸出給GPS基帶數(shù)字信號處理單元。   

    經GPS基帶DSP處理后的定位信息遵循NMEA0183標準,通過串行數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與GSM模塊、PDA設備、便攜式PC等數(shù)字處理終端設備的通信。數(shù)字處理終端通過網(wǎng)絡和專用軟件實現(xiàn)各種應用,比如通過地理信息系統(tǒng)(GIS)實現(xiàn)各種運動目標的追蹤定位等。 

2 MAX2742特點 
    利用MAX2742型CMOS RF前端GPS接收機電路,附加極少的外部元件,即可構成一種完整的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內部集成了低噪聲放大器(LNA)、混頻器、BPF、自動增益控制放大器(AGC)、本振合成器、時鐘緩沖器和內部數(shù)字采樣器。該電路能夠與許多商用GPS基帶IC接口,適合多種應用,其中包括汽車導航、遠程信息處理、自動安全監(jiān)控、資產跟蹤、定位服務(LBS)及其他消費類電子產品。  

    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)。總的信號變換增益為120dB,噪聲系數(shù)4.5dB,IF信號以18.414MHz的參考時鐘頻率進行采樣。  

    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 高性能內置LNA  
    圖2示出MAX2742的內部結構。MAX2742采用高性能的內置LNA實現(xiàn)二級濾波,極大地降低了干擾信號對接收機性能的兩種負面影響:第一,如果帶外濾波不充分,干擾信號可能會引起低噪聲放大器或降頻變換器非線性工作,這會造成不真實輸出或加大接收器的噪聲系數(shù);第二,如果解調器的干擾信號過大,則接收器處理的信號不真實,不能輸出定位信息。

3.2 中頻濾波  
    IF信號通過一個IF濾波器實現(xiàn)對帶外毛刺達60dB和對鏡像噪聲達18dB的抑制。經過鏡像抑制濾波器之后,信號轉變?yōu)椴罘中盘?。經過濾波的IF信號被AGC模塊放大,AGC模塊通過使用50dB的動態(tài)范圍將VGA輸出信號水平設置為一個預定值。內部的偏移抵消裝置將為大約100kHz的1dB拐角頻率的IF信號產生一個高通特性。  

3.3 鎖相環(huán)設計  
    MAX2742內部VCO提供積差分LO(Local Oscillator-本機振蕩器)信號給下變頻混頻器并控制這一頻率。一個板上TCXO產生參考頻率。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。它用一個獨立PLL濾波器和TCXO。TCXO的輸出端通過一個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  
4.1 射頻輸入   
    圖3示出基于MAX2742的GPS接收機的結構框圖。1575.42MHz的L1 GPS的信號由天線接收后獲得1.5dB噪聲和20dB增益,經過LNA(MAX2654)進行放大。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。放大后的信號輸入到SAW(NSVS658),實現(xiàn)37dB的帶外抑制,僅產生3dB的插入損耗。NSVS658具有50Ω的標準輸入/輸出阻抗,信號在輸入MAX2742(7引腳)時,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(3,4,12,17,23,25,32引腳)需采用濾波電路,在設計外部電路和印制電路板時必須注意。一般用兩只旁路電容器與各個引腳相連,一個用于過濾高頻元件的干擾信號,另一個用于過濾低頻元件的干擾信號。這兩個電容應盡量靠近各個引腳,以減小線路的感應系數(shù);同理,這兩個電容器的另一端應盡量靠近地。設計中,注意到上述問題,放大器的工作會很穩(wěn)定;反之,射頻輸入可能會很不穩(wěn)定。   

4.3 天線控制模塊 
    使用p溝道MOSFET和電流感應電阻器控制天線供電。感應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。這個電路包含一個32-bit RISC CPU、衛(wèi)星追蹤電路、2M-bit掩模型ROM、RAM、UART和內部時鐘等。這個電路配合RF電路(即上文介紹的MAX2742)能夠實現(xiàn)各種定位和導航。  

    CXD2932具有以下特點:16通道GPS接收機能夠同時接收16顆衛(wèi)星的信號;支持差分GPS;符合RTCM SC-104 Ver2.1;支持DARC(Direct Access Radar Channel直接存取雷達波道)全視野(ALL-IN-VIEW)測量;時鐘支持GPS時間;32-bit RISC CPU;256KB 編程ROM;40KB RAM;電源管理功能;1PPS支持;2通道UART;4通道內部時鐘;16-bit多用途I/O端口;12-bit逐次近似系統(tǒng)A/D轉換器(4通道模擬開關)。   

4.5 軟件設計  
    軟件設計主要指設置GPS接收模塊與MCU之間的串口通信、參數(shù)顯示及人機接口。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、串口相關參數(shù)配置(波特率、模式)及外圍電路(LCD、電源等設備檢測)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、存儲和數(shù)據(jù)刷新等。故障提示包括設備故障、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進行布局時,旁路電阻器應盡量靠近器件引腳。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。壓控振蕩器可能會與阻抗引起共振,在PCB布局時必須考慮到這一點。L頻段的輸入和轉換器之間如果靠得太近,也可能會產生電流耦合。在應用中,如果產生這種耦合,接收器對干擾信號非常敏感。為了減少這種耦合,可采用帶狀線結構,而不采用微波傳輸帶結構。這個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 結束語  
    文中提出了一套較完整的GPS接收機設計方案。在器材選擇上充分考慮到GPS系統(tǒng)的手持及車載應用,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設計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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