通信原理课程设计基于MAX2742型电路的GPS接收机设计 .doc

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（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。 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MAX2742 L11.57542GHz GPS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MAX2742 48-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 GPS satellite navigation and positioning signal is sent for an innumerable users to share information resources. Land, sea and space for the broad masses of users, as long as the users have to receive, tracking and transform and measuring GPS signal receiving equipment namely GPS signal receiver at any time, can use GPS signal for navigation and positioning measurement. GPS signal receiver function is able to capture by certain satellite altitude to deadline to be measured of choice by the horns of the signal, and tracking satellite operation of these satellite GPS signals received docking amplifier and processing, transform, to measure the GPS signal from the satellite receiver antenna, interpretation GPS satellite transmission time sends navigation message, to calculate the station real-time 3d position even 3d speed and time.1575.42 MHz GPS signal into the lower frequency IC before, first through low noise amplifier (LNA) and filter (RF SAW). Low noise amplifier is GPS radio frequency receiver, the most important part of the amplifier basically can decide the receiver, therefore, the noise of the size of the receiver sensitivity is LNA directly determine factors. Rf signal after down-transducer IC will one-port or difference IF signal output to GPS baseband digital signal processing unit. Via GPS baseband DSP processing the positioning information follow after NMEA0183 standards, through serial data interface implementation and GSM module, PDA equipment, portable PC digital processing terminal equipment communications. Through the Internet and digital processing terminal special software to realize various applications, such as through the geographic information system (GIS) to implement various sports target tracking positioning, etc. The MAX2742 complete single-chip global positioning system (GPS) RF front-end utilizes many innovative and leading-edge RF CMOS design techniques.This highperformance,state-of-the-art device consumes extremely low power and eliminates the need for costly SAW and bulky discrete IF filters. The MAX2742 incorporates a fully integrated low-noise amplifier (LNA) and mixer, IF section, digital sampler, and local oscillator synthesizer. The intended input signal for the MAX2742 is the L1 GPS signal 1.57542GHz. This device supports highaccuracy output quantization, which delivers the best performance obtainable for the GPS receiver. The power consumption of the MAX2742 is as low as 32mW at a +2.4V supply. The MAX2742 is available in a space-saving 48-pin TQFP package and is specified for the extended (-40°C to +85°C) temperature range.Key words: global positioning system rf CMOS antenna control module positioning satellite measurements filtering 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·······················································52.MAX2742芯片封装和引脚功能······························6 2.1 封装形式···················································6 2.2 引脚功能···················································63. MAX2742内部结构与工作原理······························7 3.1 MAX2742内部结构············································7 3.2 MAX2742工作原理············································74. 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 4.6 PCB的布局规则 ············································115.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 5.3 MAX2742典型应用电路·······································15 5.4 MAX2742构成GPS RF 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GPSGalileo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 5.7 GPS的用途·················································196.实验总结··············································207.实验心得··············································208.参考文献··············································20附录一 实验原理图·······································21附录二 PCB图···········································221.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MAX2742 L11.57542GHz GPS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MAX2742 48-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1.2.1 GPS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1.2.3 4.5dB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32mW1.2.5 +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4085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 3.1 MAX2742内部结构 内部结构如图1所示: 3.2 MAX2742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（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（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。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50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32bit RISC CPU、卫星追踪电路、2Mbit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 SC104 Ver2.1；支持DARC（Direct Access Radar Channel直接存取雷达波道）全视野（ALLINVIEW）测量；时钟支持GPS时间；32bit 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；16bit多用途I/O端口；12bit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 4.6 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 5.2.1 LNA /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参考频率。包括theVCO综合合成器,TCXO缓冲区,主要分频器,phase-fre -quency探测器和电荷泵。它采用了off-chip锁相环路滤波和TCXO。连接的输出通过对XTALIN1 TCXO和XTALIN2了耦合电容器。主要的分区比,为合成器是684。与此一个low-side师比、注入瞧可以合成TXCO与一个18.414MHz。5.2.5 应用信息布局问题 正确设计的PC板是不可或缺的一部分RF /微波电路。在所有高频输入输出阻抗,使用控制线路和留住他们尽可能地短损失和辐射降到最低。保持短也减少寄生induc痕迹-例如。为了进一步减少寄生电感,使用更广泛的痕迹和一个坚实的地面或动力飞机下面信号的痕迹。同时,解耦电容器与地方接近供应大头针是不可能的。为适当的权力耗散和操作,连接金属暴露扎实的地平面划桨的PC板。5.3 MAX2742典型应用电路如下图八所示图八：典型应用电路5.4 MAX2742构成GPS RF 前端方案图九给示了Maxim完整的GPS RF方案的重要结构框图和特点。表1给出了框图说明，表2给出了级联特性。图九：Maxim完整的GPS RF方案的重要结构框图其中RF部分包括：GPS天线、RF滤波器和GPS RF前端。RF部分接收卫星信号，从载波频率中分离出伪随机码，并将其送至GPS信号处理器，在多数现有的接收机中，RF前端部分加上GPS信号处理器能够同时处理4至12颗卫星信号。5.5 应用信息娱乐系统中现有的应用处理器完成GPSGalileo功能独特的基于软件的GPS方案，无需改动的硬件即可完成GPSGalileoGa升级。与全球定位系统(GPS)类似，Galileo是欧洲太空总署正在开发的欧洲导航系统Galileo。预计在几年之内完全运转起来。向GPS卫星系统中加入Galileo导航系统，与仅仅具有GPS的系统相比，将会使性能得到极大地改善。由于汽车市场具有较长的设计周期，当今制造商们正在为这项新技术的应用做积极的准备。GPSGalileo(GNSS)技术利用系统主处理器来执行所需的GNSS定位计算，无需价格昂贵而又庞大的基带IC。因此将GNSS的整个硬件物料清单缩减为只需RF前端电路。这项新的技术所提供的性能与传统的硬件连线多芯片GPS方案相当，但成本却是当前业界最低的，尺寸也最为纤小。该GNSS方案可为信息娱乐系统提供无与伦比的灵活性。软件提供单机模式和援助模式，并可为满足您的汽车导航需求而进行优化。图十为传统的GPS方案与新型基于软件GPS方案比较适宜方框图。 图十5.6 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RF前端的并行处理的能力提供了更高的定位精度，缩短了输出数据的时间。主处理器向用户提供数据，即可以通过一个GUI(图象用户接口)、显示屏，或者其它操作系统途径向用户提供数据(见图11左侧所示)，至于何种途径这取决于实际应用的要求。而同步和定时是GPS接收机的重要特性，为此用数控温补晶体振荡器TCXO（如DS4000）实现同步与定时的目的,见图11所示。图11 在GPS接收机中用在GPS接收机中用数控温补晶体振荡器TCXO（如DS4000）实现同步与定时多徒用性框图5.7 GPS的用途5.7.1 GPS的最初用途GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标，给海中的军舰导航，为军用飞机提供位置和导航信息等。5.7.2 GPS系统现在用途    目前，GPS系统的应用已将十分广泛，我们可以应用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段。用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。 许多商业和政府机构也使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置，这一般需要借助无线通信技术。一些GPS接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要。 6. 实验总结 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。7.实验心得这次的的课程设计，留给我印象最深的是要完成一个成功的设计，必须要有耐心，要有坚持的毅力。我是一个实际动手操作能力不强的女孩子，但是作为一名电子专业的学生，设计是我们将来必须的技能。这次课程设计让我再一次巩固了在实验室所学的用Altium Designer画原理图和PCB图的过程和技巧，同时我感觉自己对问题的分析能力也得到了提高，还培养了我处事的耐心和毅力。在整个课程设计过程中，花费时间最多的是对芯片资料的搜索以及英文资料的翻译和论文的最后整理。通过在图书馆看书和上网，我收集了许多相关的资料和方案，但是大多数的资料还是英文的，因此需要大量的翻译工作，这也是这次课程设计的一大难点，要克服这个困难，必须具备很好的毅力和耐心。同时，在对多种方案的选择中，我仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是凭借自己的耐心分析比较，发现并对其中的不足进行适当的修改和弥补，最后终于完成老师所要求的设计。当看到原理图的复杂性时，我刚开始想放弃不画原理图和PCB图了，可是这样的话这次课程设计将肯定不成功，所以我继续坚持画出了原理图和PCB图。设计过程中，我深刻地体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的东西还是需要重做，那时心中未免有点灰心，于是我就静下心来，查找原因，解决困难。设计思路是实施操作的扎实基石。一个良好的设计思路是电路的生命，宁愿在思路设计上多花上50的时间，前期的制作给后期的制作带来了很大的方便，可以节省许多时间。同时，在制作过程中马虎不得，粗心不得，特别是电子类的设计制作更应该如此。一步一步来，绝对不可囫囵吞枣，不可贪图方便。灵活的利用书本上的知识，万变不离其中，扎实地掌握核心的方法，做到活用巧用。通过这次设计，我了解了MAX2742芯片的结构以及各引脚功能，并运用它实现无线数据接收机，掌握了无线数据接收机的内部结构及工作原理。另外还接触到一些新鲜的概念，丰富了我的专业知识。总体来说，这次的设计制作还是比较顺利的，丰富了我的设计经验，让我获益匪浅。同时我还开始觉得摸索该如何设计电路并使之实现所需功能的过程是非常有趣的，培养了我的设计思维，增加了实际操作能力。从找资料到对芯片的分析再到整个实际电路的成型，对我所学的知识是一个很好的检验。在让我体会到了设计电路的艰辛、设计思路的重要性同时更让我体会到成功的喜悦和快乐。这虽不是我第一次做课程设计，但还是有许多的不足之处，还是问题重重，请老师能够批评指正。8.参考文献.黄智伟射频集成电路芯片原理与应用电路设计M.北京：电子工业出版社 2004年3月 2. 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