基于MAX2769的软件GPS接收机射频前端设计

与传统的硬件接收机相比较，软件GPS接收机需要获取中频采样数据。采样数据的获取一般有两种途径，一种是通过硬件模拟或硬件直接接收卫星信号，另一种是通过软件模拟产生信号[1]。软件方式可以应用在对算法的研究上，然而在实时接收机中，设计低成本、高性能的前端放大器是最直接有效的方式。
　MAX2769是业内第一款通用的GNSS接收机芯片，它,不但可以用于GPS还可以应用于Galileo，GLONASS导航卫星系统。
　MAX2769采用Maxim公司的低功耗工艺技术，该器件集成了完整的接收机链路，包括双输入低噪声放大器（LNA）以及混频器（MIXER）、镜像抑制滤波器(IRF)、可编程增益放大器（PGA）、VCO、N分频频率合成器、晶体振荡器以及多位ADC。MAX2769所具有的高集成度使其省去了有源天线应用中所需的外部LNA以及外部IF声表面波滤波器。因此，该器件仅需少量外部元件，即可构建完整的低成本GPS接收机方案,实现低达1.4 dB的噪声系数。
　MAX2769集成的?撞-?驻N分频频率合成器可实现±40 Hz精度的中频编程，从而与主机系统所提供的任意基准或晶体频率配合工作。集成的ADC输出可以同时为I和Q通道输出一个或两个量化位或者为I通道输出三个量化位。输出数据采用CMOS或受限的差分逻辑电平。MAX2769适合汽车导航、资产跟踪、蜂窝手持设备、便携式导航设备(PND)、数码相机、笔记本电脑等。通过外围电路的扩展，MAX2769芯片可以扩展成USB输出。
1 GPS信号的构成
   GPS的信号由三部分组成： 载波、导航数据和扩频序列。载波即为GPS卫星L波段上的两个无线电频率，包括链路L1和L2，其中心频率如下：
    L1:f_L1=1 575.42 MHz
    L2:f_L2=1 227.60 MHz   
    导航数据包含卫星轨道的相关信息,比特流为50 b/s，扩频序列是由伪随机序列组成的一组码，包括粗捕获码(C/A)和加密精确码((P(Y))。C/A为速率为1.023 MHz的二相调制信号，主瓣两个零值之间为2.046 MHz，C/A可由多位移位寄存器产生,由于C/A码有很好的自相关性，所以可以用它来搜索卫星信号。
    L1上的信号可以表示为：
   
    Ap是P码的振幅，P(t)为P码的相位，D(t)表示数据码，f1表示L1的频率，Ac是C/A码的振幅，C(t)表示C/A的相位。
    GPS系统属于简单的扩频通信系统。首先，将50 bps的导航数据重复20次产生1 000 b/s的数据流,然后C/A扩频，这样，就产生了1.023 Mb/s的基带信号。事实上，接收机接收到的来自卫星的信号是被完全淹没在接收机的噪声当中，热噪声功率为：

    卫星信号的功率约为-160 dB，显然，热噪声功率大于接收机卫星信号的功率，因此，卫星信号不能从频谱分析仪上直接观察到，但通过解扩，接收机总增益可以将淹没于噪声的导航信号恢复出来。
2 GPS L1前端构成
    射频前端主要包括带通滤波器(BPF)、LNA、混频器/振荡器和ADC，图1是GPS L1的前端示意图[2]。

    带通滤波器是一个频率选择性器件，只允许某些频率通过并使其他频率成份衰减。
    混频器/振荡器的功能是把输入的1 575.42 MHz 的RF载波转换到更低的中频(IF)上，同时不改变调制信号的结构。其原理如图2所示。

    混频器的功能可以用公式(4)表示：


混频器的输出为频率之差与频率之和，有用的是差频，也即中频（IF），而和频可由滤波器滤掉。
    模数转换器的功能是将模拟信号转换成数字信号。MAX2769模数转换器的原理如图3所示。MAX2769的模数转换器支持三种格式，格式的选择可以通过设置配置寄存器的0001地址的FORMAT数据位来，设置成00表示采用无符号二进制，设置成01表示采用符号/量值,设置成10或11表示双二进制补码，默认设置为01。

    数据位可以通过BITS位来设置，其他各种设置都可以通过设置寄存器的相应数据位来实现。
3  MAX2769前端芯片设计
    MAX2769芯片的内部结构及主要管脚功能参见参考文献[3]。

    由于MAX2769所具有的高集成度使其省去了有源天线应用中所需的外部LNA以及外部IF声表面波滤波器。因此仅需要很少的外围电路就可以实现完整的低成本的GPS软件接收机。
　MAX2769内置了配置寄存器，许多配置可以通过串行输入端口对相应的寄存器进行设置。
　GPS天线分为有源天线和无源天线，具体使用哪一种，要根据不同的应用情况决定。MAX2769提供两种方案，并且能够自动检测天线的电流消耗来切换LNA1和LNA2，当插入灵敏度较高的有源天线时，能够自动替代无源天线的应用。在实际使用中，建议设计人员将外部天线接到LNA2，内部天线接到LNA1，这样可以实现自动切换。
   使用无源天线时，GPS天线通过BNC接头，先通过一个交流耦合电容C0接入管脚LNA1，默认模式下，偏置电流设置为4 mA，典型的噪声系数为0.83 dB, IP3为-1.1 dBm。
   信号经再次滤波后，输入混频器，MAX2769包括一个正交混频器，可以输出低中频或零中频I和Q信号。正交混频器需要低端LO注入才能将内阻匹配到50 Ω，LNA的输出和正交混频器的输入设计在芯片外部，以方便声表面波滤波器的使用。
   MAX2769集成了基带可编程增益放大器(PGA)，其增益可以通过设置寄存器的0001地址的GAININ来更改，设置GAINREF可以更改自动增益控制（AGC）模式。
   MAX2769提供了一个控制回路自动调节PGA的增益，提供给ADC一个输入功率最匹配的转换器并有理想的数据精度。
   MAX2769的基带滤波器可以设置成低通或复杂的带通滤波器，通带3 dB带宽可选择为2.5 MHz、4.2 MHz、8 MHz或18 MHz（只用作低通滤波器），当0000地址的FCENX位设置为1时，低通滤波器变为带通滤波器，其中心频率可以由FCEN位来设置。
   MAX2769集成了一个20位?撞-?驻N分频合成器,允许设备以±40 Hz的精度对所需的VCO频率进行调节,范围从8 MHz~44 MHz。
   PLL回路滤波器是合成器的唯一的外部模块,其典型结构为一个C-R-C网络。
   MAX2769提供了一个芯片内部晶振,使用时需要一个并行晶振，建议晶振和交流耦合电容一同使用来调节晶振频率的中心。
   MAX2769提供了参考时钟输出,可以通过调整PLL配置寄存器的REFDIV来调整[4]。
   MAX2769的ADC的最高频率可以达到50 MHz。输出端口有2组，可以通过设置寄存器IQEN数据位来更改输出端口，默认设置为只使用I口输出，默认数据位为2位。
   MAX2769同时提供了低功耗模式,在这种情况下,总电流消耗可降到10 mA，总噪声级联系数可以提高到3.8 dB。
   MAX2769提供了115 dB的总增益,捕获灵敏度达-143 dB，跟踪灵敏度达-154 dB[5]。
4 USB输出扩展
　USB是新型的接口技术，它使用方便、速度快、连接灵活、独立供电，现已广泛应用到鼠标、键盘、游戏手柄、扫描仪、Modem、数码摄像机、网卡、Hub和显示器中。
　USB接口的GPS L1软件接收机把前端放大器、天线和USB口转换芯片集成在一起，通过一段1 m～1.5 m的线缆连接到USB口。USB接口既可以传递GPS定位信息，也可以向模块供电。这种设计非常适合笔记本电脑和车辆导航。在车辆导航时，USB接收机可以放到车外并吸附到车顶上，最大限度地接收卫星信号。
　MAX2769的USB输出扩展原理图如图4所示，卫星信号通过LNA1进入混频器，然后经过ADC进行数字化，接着通过计数器和USB接口控制器，控制器的参考晶振为24 MHz，SPI用来对MAX2769的寄存器进行设置。卫星数据由USB协议传输给PC机，通过PC主机软件执行所有基带功能，可以将定位信息显示在PC上。当然，也可以通过DSP、FPGA、ARM等进行软件解算。

   MAX2769集成度高、简单易用，为软件GPS接收机前端放大器的设计提供了方便，其参数可调的特性可以提供宽范围的输出，MAX2769成本低、通用性强、性能高、体积小的特性，将会进一步促进软件GNSS接收机的发展。
参考文献
[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.笔记本电脑借助GPS RF前端实现软件基带处理[J].电子技术应用, 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).