基于MAX2742型电路的GPS接收机设计.docx
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基于MAX2742型电路的GPS接收机设计
《通信原理》课程设计
题目基于MAX2742型电路的GPS接收机设计
学院名称电气工程学院
指导老师
班级
学号
学生姓名
二0一一年六月
基于MAX2742型电路的GPS接收机设计
摘要
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。
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（RFSAW）。
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。
完整的MAX2742单片机全球定位系统（GPS）射频前端采用很多创新领先的射频CMOS的设计技巧。
这种高性能,最先进的设备消耗非常低功率和不需要昂贵的锯又笨的离散如果过滤器。
这MAX2742集一个完全整合的低噪声放大器、混合机,如果区、数码取样器,和本地振荡器合成器。
输入信号的目的是为MAX2742L11.57542GHzGPS信号。
这个设备支持highaccuracy输出量化,这提供了最佳可为GPS接收机性能。
这MAX2742功耗32mW是尽量放低在+2.4V供应。
这MAX274248-pin可以节省空间TQFP包装和指定的延伸（-40°C+85°C）温度范围。
关键字：
全球定位系统（GPS）射频CMOS天线控制模块
卫星定位测量滤波
Abstract
GPSsatellitenavigationandpositioningsignalissentforaninnumerableuserstoshareinformationresources.Land,seaandspaceforthebroadmassesofusers,aslongastheusershavetoreceive,trackingandtransformandmeasuringGPSsignalreceivingequipmentnamelyGPSsignalreceiveratanytime,canuseGPSsignalfornavigationandpositioningmeasurement.GPSsignalreceiverfunctionisabletocapturebycertainsatellitealtitudetodeadlinetobemeasuredofchoicebythehornsofthesignal,andtrackingsatelliteoperationofthesesatelliteGPSsignalsreceiveddockingamplifierandprocessing,transform,tomeasuretheGPSsignalfromthesatellitereceiverantenna,interpretationGPSsatellitetransmissiontimesendsnavigationmessage,tocalculatethestationreal-time3dpositioneven3dspeedandtime.1575.42MHzGPSsignalintothelowerfrequencyICbefore,firstthroughlownoiseamplifier（LNA）andfilter（RFSAW）.LownoiseamplifierisGPSradiofrequencyreceiver,themostimportantpartoftheamplifierbasicallycandecidethereceiver,therefore,thenoiseofthesizeofthereceiversensitivityisLNAdirectlydeterminefactors.Rfsignalafterdown-transducerICwillone-portordifferenceIFsignaloutputtoGPSbasebanddigitalsignalprocessingunit.ViaGPSbasebandDSPprocessingthepositioninginformationfollowafterNMEA0183standards,throughserialdatainterfaceimplementationandGSMmodule,PDAequipment,portablePCdigitalprocessingterminalequipmentcommunications.ThroughtheInternetanddigitalprocessingterminalspecialsoftwaretorealizevariousapplications,suchasthroughthegeographicinformationsystem（GIS）toimplementvarioussportstargettrackingpositioning,etc.
TheMAX2742completesingle-chipglobalpositioningsystem（GPS）RFfront-endutilizesmanyinnovativeandleading-edgeRFCMOSdesigntechniques.Thishighperformance,state-of-the-artdeviceconsumesextremelylowpowerandeliminatestheneedforcostlySAWandbulkydiscreteIFfilters.TheMAX2742incorporatesafullyintegratedlow-noiseamplifier（LNA）andmixer,IFsection,digitalsampler,andlocaloscillatorsynthesizer.TheintendedinputsignalfortheMAX2742istheL1GPSsignal1.57542GHz.Thisdevicesupportshighaccuracyoutputquantization,whichdeliversthebestperformanceobtainablefortheGPSreceiver.ThepowerconsumptionoftheMAX2742isaslowas32mWata+2.4Vsupply.TheMAX2742isavailableinaspace-saving48-pinTQFPpackageandisspecifiedfortheextended（-40°Cto+85°C）temperaturerange.
Keywords:
globalpositioningsystemrfCMOSantennacontrolmodulepositioningsatellitemeasurementsfiltering
目录
1.MAX2742芯片简介········································5
1.1总体描述··················································5
1.2特征·······················································5
1.3应用·······················································5
1.4特点·······················································5
2.MAX2742芯片封装和引脚功能······························6
2.1封装形式···················································6
2.2引脚功能···················································6
3.MAX2742内部结构与工作原理······························7
3.1MAX2742内部结构············································7
3.2MAX2742工作原理············································7
4.基于MAX2742GPS接收机的基本原理·························8
4.1射频输入··················································9
4.2电源······················································9
4.3无线控制模块滤波··········································10
4.4基带处理电路·············································10
4.5软件设计·················································11
4.6PCB的布局规则············································11
5.基于MAX2742接收机的应用电路特点及设计·················12
5.1典型运用特点·············································12
5.2单片机的全球定位系统接收机应用···························14
5.3MAX2742典型应用电路·······································15
5.4MAX2742构成GPSRF前端方案································16
5.5应用信息娱乐系统中现有的应用处理器完成GPS／Galileo功能····18
5.6在GPS接收机中用数控温补晶体振荡器TCXO（如DS4000）实现同步与定时
··························································18
5.7GPS的用途·················································19
6.实验总结··············································20
7.实验心得··············································20
8.参考文献··············································20
附录一实验原理图·······································21
附录二PCB图···········································22
1.MAX2742芯片简介
1.1总体描述
完整的MAX2742单片机全球定位系统（GPS）射频前端采用很多创新领先的射频CMOS的设计技巧。
这个高-极端的、最先进的设备性能消耗-特低能耗以及不需要昂贵的锯又笨的离散如果过滤器。
这MAX2742集一个完全整合的低噪声放大器、混合机,如果区、数码取样器,和本地振荡器合成器。
输入信号的目的是为MAX2742L11.57542GHzGPS信号。
这个设备支持高-输出量化精度,提供了最佳可为GPS接收机性能。
这MAX2742功耗32mW是尽量放低在+2.4V供应。
这MAX274248-pin可以节省空间TQFP包装和指定的延伸（-40°C+85°C）,温度范围。
1.2特征
1.2.1GPS接收机前端单片机完成
1.2.2在1.023MHz结束单人赛或微分输出
1.2.34.5dB典型低噪声系数
1.2.3外部看不见或离散滤波器所要求的
1.2.4+2.4V在很低的功耗32mW
1.2.5+3.6V到+2.4V宽操作电压范围
1.2.6扩展-40°C到+85°C温度范围
1.3应用
与导航系统（IVNS），基于位置的服务（pda和附件），研究Talkies休闲，手持/地理信息系统（GISs），电信（车辆、资产追踪,以及库存管理），紧急路边帮助，应急响应系统，数码相机/摄像机，消费电子。
1.4特点
利用MAX2742型CMOSRF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IFSAW滤波器和体积庞大的分立IFSAW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。
2.MAX2742芯片封装和引脚功能
2.1封装形式
MAX2742采用48引脚TQFP封装，工作在工业温度范围内（-40°C至+85°C），如图1所示：
图一：
MAX2742内部结构及引脚图
2.2引脚功能
功能引脚介绍如下表1所示:
表1：
引脚功能表
3.MAX2742内部结构与工作原理
3.1MAX2742内部结构
内部结构如图1所示:
3.2MAX2742工作原理
3.2.1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。
3.2.2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。
3.2.3锁相环设计
MAX2742内部VCO提供积差分LO（LocalOscillator－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接收机基本原理
一个典型的接收机它包括：
射频部分前端，信号处理器和主处理器。
接收机基本框架结构如下图二所示：
图二：
结构及基本框架结构
典型的GPS接收机结构如下图三所示：
图三：
典型的GPS接收机结构
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（RFSAW）。
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。
4.1射频输入
图四示出基于MAX2742的GPS接收机的结构框图。
1575.42MHz的L1GPS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。
图四：
基于MAX2742的GPS接收机的结构框图
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－bitRISCCPU、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RTCMSC－104Ver2.1；支持DARC（DirectAccessRadarChannel直接存取雷达波道）全视野（ALL－IN－VIEW）测量；时钟支持GPS时间；32－bitRISCCPU；256KB编程ROM；40KBRAM；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。
图五示出软件程序流程。
图五：
软件程序流程图
4.6PCB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。
图六示出PCB的顶层和底层丝印图。
图六：
MAX2742接收机的PCB顶层和底层印图
5.基于MAX2742接收机应用电路特点及设计
5.1典型运用特点如图七所示
MAX2742电动VDD=+3V组件,Ta=+25°C:
图七：
应用特点图
5.2单片机的全球定位系统接收机应用
5.2.1LNA/搅拌机
射频输入由GPS天线是美联储通过一个采用多次曲折线的形式与24dB增益。
放大信号的再反馈downconverts一个搅拌机,信号（1575.42MHz）如果对正交调制的1.023MHz差。
5.2.2如果阶段
如果信号正交经过如果过滤器,拒绝带外热刺,超过60dB吗通过18dB和图像噪声的根（流）。
经过图像拒绝过滤器、信号转化为正交微分。
如果信号滤波,然后是加剧AGC块制定了VGA输出信号电平预定值,通过使用50dB的动态范围。
内部offset-cancellation机甲-中生成一个高通滤波功能特性1dB剖面与一个拐角频率大约涵盖。
5.2.3如果输出选择
取样的GPS信号输出,可在一个结束单人赛或微分格式。
IFSEL销的控制输出格式.
5.2.4合成器
提供了一种单片压控振荡器正交微分的LO端downconverting信号混合器和控制频率。
生成一个车载TCXO
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