基于MAX2769的軟件GPS接收機射頻前端設計

邵 磊,劉瑞華

(中國民航大學 航空自動化學院，天津300300)

與傳統的硬件接收機相比較，軟件GPS接收機需要獲取中頻采樣數據。采樣數據的獲取一般有兩種途徑，一種是通過硬件模擬或硬件直接接收衛星信號，另一種是通過軟件模擬產生信號[1]。軟件方式可以應用在對算法的研究上，然而在實時接收機中，設計低成本、高性能的前端放大器是最直接有效的方式。

MAX2769是業內第一款通用的GNSS接收機芯片，它,不但可以用于GPS還可以應用于Galileo，GLONASS導航衛星系統。

MAX2769采用Maxim公司的低功耗工藝技術，該器件集成了完整的接收機鏈路，包括雙輸入低噪聲放大器（LNA）以及混頻器（MIXER）、鏡像抑制濾波器(IRF)、可編程增益放大器（PGA）、VCO、N分頻頻率合成器、晶體振蕩器以及多位ADC。MAX2769所具有的高集成度使其省去了有源天線應用中所需的外部LNA以及外部IF聲表面波濾波器。因此，該器件僅需少量外部元件，即可構建完整的低成本GPS接收機方案,實現低達1.4 dB的噪聲系數。

MAX2769集成的Σ-△N分頻頻率合成器可實現±40 Hz精度的中頻編程，從而與主機系統所提供的任意基準或晶體頻率配合工作。集成的ADC輸出可以同時為I和Q通道輸出一個或兩個量化位或者為I通道輸出三個量化位。輸出數據采用CMOS或受限的差分邏輯電平。MAX2769適合汽車導航、資產跟蹤、蜂窩手持設備、便攜式導航設備(PND)、數碼相機、筆記本電腦等。通過外圍電路的擴展，MAX2769芯片可以擴展成USB輸出。

1 GPS信號的構成

GPS的信號由三部分組成：載波、導航數據和擴頻序列。載波即為GPS衛星L波段上的兩個無線電頻率，包括鏈路L1和L2，其中心頻率如下：

L1：fL1=1 575.42 MHz

L2：fL2=1 227.60 MHz

導航數據包含衛星軌道的相關信息,比特流為50 b/s，擴頻序列是由偽隨機序列組成的一組碼，包括粗捕獲碼(C/A)和加密精確碼((P(Y))。C/A為速率為 1.023 MHz的二相調制信號，主瓣兩個零值之間為 2.046 MHz，C/A可由多位移位寄存器產生,由于C/A碼有很好的自相關性，所以可以用它來搜索衛星信號。

L1上的信號可以表示為：

Ap是 P碼的振幅，P(t)為P碼的相位，D(t)表示數據碼，f1表示L1的頻率，Ac是 C/A碼的振幅，C(t)表示 C/A的相位。

GPS系統屬于簡單的擴頻通信系統。首先，將50 bps的導航數據重復20次產生1 000 b/s的數據流,然后C/A擴頻，這樣，就產生了1.023 Mb/s的基帶信號。事實上，接收機接收到的來自衛星的信號是被完全淹沒在接收機的噪聲當中，熱噪聲功率為：

其中，k為玻爾茲曼常數,其數值為 k=1.38×10-23J/°K，t為熱力學溫度，單位為°K，噪聲帶寬 A的單位為 Hz，經計算得：

衛星信號的功率約為-160 dB，顯然，熱噪聲功率大于接收機衛星信號的功率，因此，衛星信號不能從頻譜分析儀上直接觀察到，但通過解擴，接收機總增益可以將淹沒于噪聲的導航信號恢復出來。

2 GPS L1前端構成

射頻前端主要包括帶通濾波器(BPF)、LNA、混頻器/振蕩器和 ADC，圖1是 GPS L1的前端示意圖[2]。

圖1 GPS L1前端示意圖

帶通濾波器是一個頻率選擇性器件，只允許某些頻率通過并使其他頻率成份衰減。

混頻器/振蕩器的功能是把輸入的1 575.42 MHz的RF載波轉換到更低的中頻(IF)上，同時不改變調制信號的結構。其原理如圖2所示。

混頻器的功能可以用公式(4)表示：

圖2混頻器/振蕩器原理圖

其中，ω1為GPS L1的中心頻率，ω2為本振頻率。任何調制，都可以簡化為時變的乘法器：

混頻器的輸出為頻率之差與頻率之和，有用的是差頻，也即中頻（IF），而和頻可由濾波器濾掉。

模數轉換器的功能是將模擬信號轉換成數字信號。MAX2769模數轉換器的原理如圖3所示。MAX2769的模數轉換器支持三種格式，格式的選擇可以通過設置配置寄存器的0001地址的FORMAT數據位來，設置成00表示采用無符號二進制，設置成01表示采用符號/量值,設置成10或11表示雙二進制補碼，默認設置為01。

數據位可以通過BITS位來設置，其他各種設置都可以通過設置寄存器的相應數據位來實現。

3MAX2769前端芯片設計

MAX2769芯片的內部結構及主要管腳功能參見參考文獻[3]。

MAX2769芯片的基本特征為[3]：

·適用于GPS/GLONASS/Galileo接收機；

·無需外部中頻SAW濾波器及獨立濾波器；

·可編程IF頻率；

·集成的VCO的Σ-△N分頻器,支持廣范圍參考頻率；

·為有源與無源天線集成了雙通道LNA；

·1.4 dB總級聯噪聲系數；

·集成晶振、溫度傳感器和有源天線傳感器;

·低功耗模式下電流為：10 mA;

·供電電壓：2.7 V～3.3 V;

·28管腳無鉛QFN封裝;

·參考時鐘：8 MHz～44 MHz;

·中頻輸出：2.5 MHz（默認）;

·支持波段：1550 MHz～1 610 MHz;

·尺 寸：5 mm×5 mm。

由于MAX2769所具有的高集成度使其省去了有源天線應用中所需的外部LNA以及外部IF聲表面波濾波器。因此僅需要很少的外圍電路就可以實現完整的低成本的GPS軟件接收機。

MAX2769內置了配置寄存器，許多配置可以通過串行輸入端口對相應的寄存器進行設置。

GPS天線分為有源天線和無源天線，具體使用哪一種，要根據不同的應用情況決定。MAX2769提供兩種方案，并且能夠自動檢測天線的電流消耗來切換LNA1和LNA2，當插入靈敏度較高的有源天線時，能夠自動替代無源天線的應用。在實際使用中，建議設計人員將外部天線接到LNA2，內部天線接到LNA1，這樣可以實現自動切換。

使用無源天線時，GPS天線通過BNC接頭，先通過一個交流耦合電容C0接入管腳LNA1，默認模式下，偏置電流設置為4 mA，典型的噪聲系數為0.83 dB,IP3為-1.1 dBm。

信號經再次濾波后，輸入混頻器，MAX2769包括一個正交混頻器，可以輸出低中頻或零中頻I和Q信號。正交混頻器需要低端LO注入才能將內阻匹配到50 Ω，LNA的輸出和正交混頻器的輸入設計在芯片外部，以方便聲表面波濾波器的使用。

MAX2769集成了基帶可編程增益放大器(PGA)，其增益可以通過設置寄存器的0001地址的GAININ來更改，設置GAINREF可以更改自動增益控制（AGC）模式。

MAX2769提供了一個控制回路自動調節PGA的增益，提供給ADC一個輸入功率最匹配的轉換器并有理想的數據精度。

MAX2769的基帶濾波器可以設置成低通或復雜的帶通濾波器，通帶3 dB帶寬可選擇為2.5 MHz、4.2 MHz、8 MHz 或 18 MHz（只用作低通濾波器），當0000地址的FCENX位設置為1時，低通濾波器變為帶通濾波器，其中心頻率可以由FCEN位來設置。

MAX2769集成了一個 20位 Σ-△N分頻合成器,允許設備以±40 Hz的精度對所需的VCO頻率進行調節,范圍從8 MHz～44 MHz。

PLL回路濾波器是合成器的唯一的外部模塊,其典型結構為一個C-R-C網絡。

MAX2769提供了一個芯片內部晶振,使用時需要一個并行晶振，建議晶振和交流耦合電容一同使用來調節晶振頻率的中心。

MAX2769提供了參考時鐘輸出,可以通過調整PLL配置寄存器的REFDIV來調整[4]。

MAX2769的ADC的最高頻率可以達到50 MHz。輸出端口有2組，可以通過設置寄存器IQEN數據位來更改輸出端口，默認設置為只使用I口輸出，默認數據位為2位。

MAX2769同時提供了低功耗模式,在這種情況下,總電流消耗可降到10 mA，總噪聲級聯系數可以提高到3.8 dB。

MAX2769提供了115dB的總增益,捕獲靈敏度達-143 dB，跟蹤靈敏度達-154 dB[5]。

4 USB輸出擴展

USB是新型的接口技術，它使用方便、速度快、連接靈活、獨立供電，現已廣泛應用到鼠標、鍵盤、游戲手柄、掃描儀、Modem、數碼攝像機、網卡、Hub和顯示器中。

USB接口的GPS L1軟件接收機把前端放大器、天線和USB口轉換芯片集成在一起，通過一段1 m～1.5 m的線纜連接到USB口。USB接口既可以傳遞GPS定位信息，也可以向模塊供電。這種設計非常適合筆記本電腦和車輛導航。在車輛導航時，USB接收機可以放到車外并吸附到車頂上，最大限度地接收衛星信號。

MAX2769的USB輸出擴展原理圖如圖4所示，衛星信號通過LNA1進入混頻器，然后經過ADC進行數字化，接著通過計數器和USB接口控制器，控制器的參考晶振為 24 MHz，SPI用來對MAX2769的寄存器進行設置。衛星數據由USB協議傳輸給PC機，通過PC主機軟件執行所有基帶功能，可以將定位信息顯示在PC上。當然，也可以通過DSP、FPGA、ARM等進行軟件解算。

MAX2769集成度高、簡單易用，為軟件GPS接收機前端放大器的設計提供了方便，其參數可調的特性可以提供寬范圍的輸出，MAX2769成本低、通用性強、性能高、體積小的特性，將會進一步促進軟件GNSS接收機的發展。

[1]JULIEN O,ZHENG Bo,DONG Lei,et al.A complete software-based IF GNSS signal generator for software receiver development.Department of Geometrics Engineering,university of Calgary,ION GNSS 2004,Sept.21-24.Long Beach,CA.

[2]BORRE K.A software-defined GPS and galileo receiver：single-frequency approach.Aalborg University,Dennis Akos,University of Colorado.

[3]Maxin Universal GPS Receiver,Max2769 chip data sheet

[4]WEBER D.筆記本電腦借助GPS RF前端實現軟件基帶處 理[J].電 子 技 術 應 用,2008，34(1)：5-8.

[5]WEBER D.Universal GPS receiver lets you use a laptop PC for soft baseband processing,Roger,Maxim application notes,2008,9(5).