基于MAX2742型电路的GPS接收机设计
时间：2006-09-04 00:56:00
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[导读]讨论MAX2742型GPS接收系统射频前端电路的特性及工作原理，介绍以其为基础的GPS接收机的设计，给出电路结构框图。
摘要：讨论MAX2742型GPS接收系统射频前端电路的特性及工作原理，介绍以其为基础的GPS接收机的设计，给出电路结构框图。
关键词：GPS；MAX2742；CXD2932；卫星定位；射频；接收机
中图分类号：TN753.8 文献标识码：B 文章编号：1006-6977（2006）01-0035-03
1 引言
GPS卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即GPS信号接收机，就可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。GPS信号接收机的功能是能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对接收到的GPS信号进行变换、放大和处理、以便测量出GPS信号从卫星接收机天线的传播时间，解译GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的3维位置甚至3维速度和时间。
典型GPS接收机的结构如图1所示。
1575.42MHz的GPS信号在进入下变频IC前，先经过低噪声放大器（LNA）和滤波器（RF SAW）。低噪声放大器是GPS射频接收器中最重要的部分，这个放大器基本上可以决定整个接收机的噪声大小，因此，LNA是接收机灵敏度的直接决定因素。射频信号经过下变频IC后将单端或差分IF信号输出给GPS基带数字信号处理单元。
经GPS基带DSP处理后的定位信息遵循NMEA0183标准，通过串行数据接口实现与GSM模块、PDA设备、便携式PC等数字处理终端设备的通信。数字处理终端通过网络和专用软件实现各种应用，比如通过地理信息系统（GIS）实现各种运动目标的追踪定位等。
2 MAX2742特点
利用MAX2742型CMOS RF前端GPS接收机电路，附加极少的外部元件，即可构成一种完整的GPS解决方案。这款性能优异的电路只需消耗极低的功率（32mW，2.4V），并且不需要昂贵的IF SAW滤波器和体积庞大的分立IF SAW滤波器。MAX2742内部集成了低噪声放大器（LNA）、混频器、BPF、自动增益控制放大器（AGC）、本振合成器、时钟缓冲器和内部数字采样器。该电路能够与许多商用GPS基带IC接口，适合多种应用，其中包括汽车导航、远程信息处理、自动安全监控、资产跟踪、定位服务（LBS）及其他消费类电子产品。
MAX2742工作于18.414MHz晶振或TXCO，可通过IFSEL引脚（引脚10）来选择差分或单端IF输出（1.023MHz）。总的信号变换增益为120dB，噪声系数4.5dB，IF信号以18.414MHz的参考时钟频率进行采样。
MAX2742采用48引脚TQFP封装，尺寸仅为9mm×9mm，可工作于－40℃－＋85℃范围。
3 MAX2742工作原理
3.1 高性能内置LNA
图2示出MAX2742的内部结构。MAX2742采用高性能的内置LNA实现二级滤波，极大地降低了干扰信号对接收机性能的两种负面影响：第一，如果带外滤波不充分，干扰信号可能会引起低噪声放大器或降频变换器非线性工作，这会造成不真实输出或加大接收器的噪声系数；第二，如果解调器的干扰信号过大，则接收器处理的信号不真实，不能输出定位信息。
3.2 中频滤波
IF信号通过一个IF滤波器实现对带外毛刺达60dB和对镜像噪声达18dB的抑制。经过镜像抑制滤波器之后，信号转变为差分信号。经过滤波的IF信号被AGC模块放大，AGC模块通过使用50dB的动态范围将VGA输出信号水平设置为一个预定值。内部的偏移抵消装置将为大约100kHz的1dB拐角频率的IF信号产生一个高通特性。
3.3 锁相环设计
MAX2742内部VCO提供积差分LO（Local Oscillator－本机振荡器）信号给下变频混频器并控制这一频率。一个板上TCXO产生参考频率。这种集成合成器包含VCO、TCXO缓冲器、主频率分割器、相频探测器和电荷泵。它用一个独立PLL滤波器和TCXO。TCXO的输出端通过一个耦合电容器连接到电路的XTALIN1和XTALIN2引脚。
4 基于MAX2742的GPS接收机
4.1 射频输入
图3示出基于MAX2742的GPS接收机的结构框图。1575.42MHz的L1 GPS的信号由天线接收后获得1.5dB噪声和20dB增益，经过LNA（MAX2654）进行放大。MAX2654工作在1575MHz的GPS频段，增益为14.1dB，噪声系数为1.45dB，电流消耗仅为8.3mA。放大后的信号输入到SAW（NSVS658），实现37dB的带外抑制，仅产生3dB的插入损耗。NSVS658具有50Ω的标准输入/输出阻抗，信号在输入MAX2742（7引脚）时，需要外接阻抗匹配电路。
4.2 电源滤波
MAX2742采用统一VDD供电，在给高频放大和混频模块供电时（3，4，12，17，23，25，32引脚）需采用滤波电路，在设计外部电路和印制电路板时必须注意。一般用两只旁路电容器与各个引脚相连，一个用于过滤高频元件的干扰信号，另一个用于过滤低频元件的干扰信号。这两个电容应尽量靠近各个引脚，以减小线路的感应系数；同理，这两个电容器的另一端应尽量靠近地。设计中，注意到上述问题，放大器的工作会很稳定；反之，射频输入可能会很不稳定。
4.3 天线控制模块
使用p沟道MOSFET和电流感应电阻器控制天线供电。感应电阻把天线的供电信息反馈给CXD2932有三种可能状态：正常、短路和开路。
4.4 基带处理电路
CXD2932是GPS卫星定位测量系统专用的大规模集成电路。这个电路包含一个32－bit RISC CPU、卫星追踪电路、2M－bit掩模型ROM、RAM、UART和内部时钟等。这个电路配合RF电路（即上文介绍的MAX2742）能够实现各种定位和导航。
CXD2932具有以下特点：16通道GPS接收机能够同时接收16颗卫星的信号；支持差分GPS；符合RTCM SC－104 Ver2.1；支持DARC（Direct Access Radar Channel直接存取雷达波道）全视野（ALL－IN－VIEW）测量；时钟支持GPS时间；32－bit RISC CPU；256KB 编程ROM；40KB RAM；电源管理功能；1PPS支持；2通道UART；4通道内部时钟；16－bit多用途I/O端口；12－bit逐次近似系统A/D转换器（4通道模拟开关）。
4.5 软件设计
软件设计主要指设置GPS接收模块与MCU之间的串口通信、参数显示及人机接口。主要包括初始化、串口通信、数据处理、故障提示、显示、键盘处理、电源管理等部分。其中，初始化包括CXD2932中各种寄存器的配置、串口相关参数配置（波特率、模式）及外围电路（LCD、电源等设备检测）的初始化等。串口通信包括数据发送、接收、校验和通信故障提示等。数据处理主要是对接收数据的解码、存储和数据刷新等。故障提示包括设备故障、通信故障和电源故障等。电源管理主要是电源欠压提示和当前电源状态显示。图4示出软件程序流程。
4.6 PCB的布局规则
在对PCB进行布局时，旁路电阻器应尽量靠近器件引脚。某些重要元件可以布置在MAX2742的背面，使得MAX2742到这些元件的路径尽量短。压控振荡器可能会与阻抗引起共振，在PCB布局时必须考虑到这一点。L频段的输入和转换器之间如果靠得太近，也可能会产生电流耦合。在应用中，如果产生这种耦合，接收器对干扰信号非常敏感。为了减少这种耦合，可采用带状线结构，而不采用微波传输带结构。这个完整的解决方案仅占用25mm×25mm的PCB空间。图5示出PCB的顶层和底层丝印图。
5 结束语
文中提出了一套较完整的GPS接收机设计方案。在器材选择上充分考虑到GPS系统的手持及车载应用，做到了电流小、功耗低、发热量低、稳定性好、灵敏度高、快速快；在电路及PCB设计中充分考虑了微波电路的特殊性，力争将各种干扰降到最低。
关键词：GPS；MAX2742；CXD2932；卫星定位；射频；接收机
中图分类号：TN753.8 文献标识码：B 文章编号：1006-6977（2006）01-0035-03
1 引言
GPS卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即GPS信号接收机，就可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。GPS信号接收机的功能是能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对接收到的GPS信号进行变换、放大和处理、以便测量出GPS信号从卫星接收机天线的传播时间，解译GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的3维位置甚至3维速度和时间。
典型GPS接收机的结构如图1所示。
1575.42MHz的GPS信号在进入下变频IC前，先经过低噪声放大器（LNA）和滤波器（RF SAW）。低噪声放大器是GPS射频接收器中最重要的部分，这个放大器基本上可以决定整个接收机的噪声大小，因此，LNA是接收机灵敏度的直接决定因素。射频信号经过下变频IC后将单端或差分IF信号输出给GPS基带数字信号处理单元。
经GPS基带DSP处理后的定位信息遵循NMEA0183标准，通过串行数据接口实现与GSM模块、PDA设备、便携式PC等数字处理终端设备的通信。数字处理终端通过网络和专用软件实现各种应用，比如通过地理信息系统（GIS）实现各种运动目标的追踪定位等。
2 MAX2742特点
利用MAX2742型CMOS RF前端GPS接收机电路，附加极少的外部元件，即可构成一种完整的GPS解决方案。这款性能优异的电路只需消耗极低的功率（32mW，2.4V），并且不需要昂贵的IF SAW滤波器和体积庞大的分立IF SAW滤波器。MAX2742内部集成了低噪声放大器（LNA）、混频器、BPF、自动增益控制放大器（AGC）、本振合成器、时钟缓冲器和内部数字采样器。该电路能够与许多商用GPS基带IC接口，适合多种应用，其中包括汽车导航、远程信息处理、自动安全监控、资产跟踪、定位服务（LBS）及其他消费类电子产品。
MAX2742工作于18.414MHz晶振或TXCO，可通过IFSEL引脚（引脚10）来选择差分或单端IF输出（1.023MHz）。总的信号变换增益为120dB，噪声系数4.5dB，IF信号以18.414MHz的参考时钟频率进行采样。
MAX2742采用48引脚TQFP封装，尺寸仅为9mm×9mm，可工作于－40℃－＋85℃范围。
3 MAX2742工作原理
3.1 高性能内置LNA
图2示出MAX2742的内部结构。MAX2742采用高性能的内置LNA实现二级滤波，极大地降低了干扰信号对接收机性能的两种负面影响：第一，如果带外滤波不充分，干扰信号可能会引起低噪声放大器或降频变换器非线性工作，这会造成不真实输出或加大接收器的噪声系数；第二，如果解调器的干扰信号过大，则接收器处理的信号不真实，不能输出定位信息。
3.2 中频滤波
IF信号通过一个IF滤波器实现对带外毛刺达60dB和对镜像噪声达18dB的抑制。经过镜像抑制滤波器之后，信号转变为差分信号。经过滤波的IF信号被AGC模块放大，AGC模块通过使用50dB的动态范围将VGA输出信号水平设置为一个预定值。内部的偏移抵消装置将为大约100kHz的1dB拐角频率的IF信号产生一个高通特性。
3.3 锁相环设计
MAX2742内部VCO提供积差分LO（Local Oscillator－本机振荡器）信号给下变频混频器并控制这一频率。一个板上TCXO产生参考频率。这种集成合成器包含VCO、TCXO缓冲器、主频率分割器、相频探测器和电荷泵。它用一个独立PLL滤波器和TCXO。TCXO的输出端通过一个耦合电容器连接到电路的XTALIN1和XTALIN2引脚。
4 基于MAX2742的GPS接收机
4.1 射频输入
图3示出基于MAX2742的GPS接收机的结构框图。1575.42MHz的L1 GPS的信号由天线接收后获得1.5dB噪声和20dB增益，经过LNA（MAX2654）进行放大。MAX2654工作在1575MHz的GPS频段，增益为14.1dB，噪声系数为1.45dB，电流消耗仅为8.3mA。放大后的信号输入到SAW（NSVS658），实现37dB的带外抑制，仅产生3dB的插入损耗。NSVS658具有50Ω的标准输入/输出阻抗，信号在输入MAX2742（7引脚）时，需要外接阻抗匹配电路。
4.2 电源滤波
MAX2742采用统一VDD供电，在给高频放大和混频模块供电时（3，4，12，17，23，25，32引脚）需采用滤波电路，在设计外部电路和印制电路板时必须注意。一般用两只旁路电容器与各个引脚相连，一个用于过滤高频元件的干扰信号，另一个用于过滤低频元件的干扰信号。这两个电容应尽量靠近各个引脚，以减小线路的感应系数；同理，这两个电容器的另一端应尽量靠近地。设计中，注意到上述问题，放大器的工作会很稳定；反之，射频输入可能会很不稳定。
4.3 天线控制模块
使用p沟道MOSFET和电流感应电阻器控制天线供电。感应电阻把天线的供电信息反馈给CXD2932有三种可能状态：正常、短路和开路。
4.4 基带处理电路
CXD2932是GPS卫星定位测量系统专用的大规模集成电路。这个电路包含一个32－bit RISC CPU、卫星追踪电路、2M－bit掩模型ROM、RAM、UART和内部时钟等。这个电路配合RF电路（即上文介绍的MAX2742）能够实现各种定位和导航。
CXD2932具有以下特点：16通道GPS接收机能够同时接收16颗卫星的信号；支持差分GPS；符合RTCM SC－104 Ver2.1；支持DARC（Direct Access Radar Channel直接存取雷达波道）全视野（ALL－IN－VIEW）测量；时钟支持GPS时间；32－bit RISC CPU；256KB 编程ROM；40KB RAM；电源管理功能；1PPS支持；2通道UART；4通道内部时钟；16－bit多用途I/O端口；12－bit逐次近似系统A/D转换器（4通道模拟开关）。
4.5 软件设计
软件设计主要指设置GPS接收模块与MCU之间的串口通信、参数显示及人机接口。主要包括初始化、串口通信、数据处理、故障提示、显示、键盘处理、电源管理等部分。其中，初始化包括CXD2932中各种寄存器的配置、串口相关参数配置（波特率、模式）及外围电路（LCD、电源等设备检测）的初始化等。串口通信包括数据发送、接收、校验和通信故障提示等。数据处理主要是对接收数据的解码、存储和数据刷新等。故障提示包括设备故障、通信故障和电源故障等。电源管理主要是电源欠压提示和当前电源状态显示。图4示出软件程序流程。
4.6 PCB的布局规则
在对PCB进行布局时，旁路电阻器应尽量靠近器件引脚。某些重要元件可以布置在MAX2742的背面，使得MAX2742到这些元件的路径尽量短。压控振荡器可能会与阻抗引起共振，在PCB布局时必须考虑到这一点。L频段的输入和转换器之间如果靠得太近，也可能会产生电流耦合。在应用中，如果产生这种耦合，接收器对干扰信号非常敏感。为了减少这种耦合，可采用带状线结构，而不采用微波传输带结构。这个完整的解决方案仅占用25mm×25mm的PCB空间。图5示出PCB的顶层和底层丝印图。
5 结束语
文中提出了一套较完整的GPS接收机设计方案。在器材选择上充分考虑到GPS系统的手持及车载应用，做到了电流小、功耗低、发热量低、稳定性好、灵敏度高、快速快；在电路及PCB设计中充分考虑了微波电路的特殊性，力争将各种干扰降到最低。
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