基於MAX2742型電路的GPS接收機設計

名稱:基於MAX2742型電路的GPS接收機設計
摘要：討論 MAX2742型GPS接收系統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。
1引言
GPS衛星發送的導航定位信號是一種可供無數用戶共享的信息資源。對於陸地、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星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，並跟蹤這些衛星的運行，對接收到的GPS信號進行變換、放大和處理、以便測量出GPS信號從衛星接收機天線的傳播時間，解譯GPS衛星所發送的導航電文，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，先經過低雜訊放大器（LNA）和濾波器（RF SAW）。低雜訊放大器是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雜訊大小，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，通過串列數據介面實現與GSM模塊、PDA設備、攜帶型PC等數字處理終端設備的通信。數字處理終端通過網路和專用軟體實現各種應用，比如通過地理信息系統（GIS）實現各種運動目標的**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。這款性能優異的電路只需消耗極低的功率（32mW，2.4V），並且不需要昂貴的IF SAW濾波器和體積龐大的分立IF SAW濾波器。 MAX2742內部集成了低雜訊放大器（LNA）、混頻器、BPF、自動增益控制放大器（AGC）、本振合成器、時鐘緩衝器和內部數字採樣器。該電路能夠與許多商用GPS基帶IC介面，適合多種應用，其中包括汽車導航、遠程信息處理、自動安全*、資產跟蹤、定位服務（LBS）及其他消費類電子產品。
MAX2742工作於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，雜訊係數4.5dB，IF信號以18.414MHz的參考時鐘頻率進行採樣。
MAX2742採用48引腳TQFP封裝，尺寸僅為9mm×9mm，可工作於－40℃－＋85℃範圍。
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採用高性能的內置LNA實現二級濾波，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雜訊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雜訊係數；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濾波器實現對帶外毛刺達60dB和對鏡像雜訊達18dB的抑制。經過鏡像抑制濾波器之後，信號轉變為差分信號。經過濾波的IF信號被AGC模塊放大，AGC模塊通過使用50dB的動態範圍將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並控制這一頻率。一個板上TCXO產生參考頻率。這種集成合成器包含VCO、TCXO緩衝器、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基於 MAX2742的GPS接收機
4.1射頻輸入
圖3示出基於 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雜訊和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，雜訊係數為1.45dB，電流消耗僅為8.3mA。放大后的信號輸入到SAW（ NSVS658），實現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採用統一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）需採用濾波電路，在設計外部電路和印製電路板時必須注意。一般用兩隻旁路電容器與各個引腳相連，一個用於過濾高頻元件的干擾信號，另一個用於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，以減小線路的感應係數；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定；反之，射頻輸入可能會很不穩定。
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：正常、短路和開路。
4.4基帶處理電路
CXD2932是GPS衛星定位測量系統專用的大規模集成電路。這個電路包含一個32－bit RISC CPU、衛星**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埠；12－bit逐次近似系統A/D轉換器（4通道模擬開關）。
4.5軟體設計
軟體設計主要指設置GPS接收模塊與MCU之間的串口通信、參數顯示及人機介面。主要包括初始化、串口通信、數據處理、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。串口通信包括數據發送、接收、校驗和通信故障提示等。數據處理主要是對接收數據的*、存儲和數據刷新等。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顯示。圖4示出軟體程序流程。
4.6 PCB的布局規則
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，可採用帶狀線結構，而不採用微波傳輸帶結構。這個完整的解決方案僅佔用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系統的手持及車載應用，做到了電流孝功耗低、發熱量低、穩定性好、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。