GPS接收机射频IC

    摘要：   本文简单介绍GPS射频前端IC MAX2740的典型应用。
    关键词： GPS、MAX2740、混频器

一、概述

    全球定位系统GPS（Global Positioning System）是基于无线电的、具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统，它主要由空间星座、地面监控和用户设备三部分组成。地面监测网连续跟踪观测卫星，计算编制卫星星历和卫星钟钟差等参数，并将其注入到卫星的存储器中。卫星连续发射双频无线电信号和导航电文，用户设备利用接收到的卫星信号测定用户至卫星的距离，或多普勒频移等观测量；根据接收的导航电文，计算所观测时刻的卫星位置和速度。根据观测量和卫星位置、速度，解算出用户的位置和速度。用户设备的核心是GPS接收机，由RF部分、扩谱相关器及数据解调部分、定位解算及显示部分组成，接收机设计的关键及成本主要取决于RF前端，Maxim研制的MAX2740提供了从天线到数字化输入之间完备的GPS接收方案，信号通道包括：低噪声放大器（LNA）、两级下变频器、可变增益/固定增益放大器、VCO、频率合成器等，如图1所示。

二、GPS射频前端电路

    图1所示为利用MAX2740构成的GPS射频前端电路，由天线接口、MAX2740、AGC控制环路、频率合成器控制环路和适当的外部元件组成，外部元器件包括：用于镜频抑制和频道选择的滤波器、环路控制放大器、谐振腔及VCO调谐器。信号由天线进入片内LNA之前首先进行外部滤波，以便抑制镜频干扰，LNA匹配电路输入端采用一串联电容，输出端采用一个连接至Vcc的并联电感和一个串联电容。集成化的低噪声放大器具有2.2dB（50Ω源阻抗）的典型噪声系数。MAX2740能够提供足够的低噪声射频增益，以弥补因声表面波（SAW）滤波器的高选择性所造成的严重信号损失，保证不降低接收灵敏度。MAX2740内部采用两级变频结构：第一级下变频（RF混频器）将载波为1.57542GHz的GPS输入信号下变频至135.42MHz的第一中频；第二级下变频器（IF混频器）将信号混频至最终的15.42MHz中频。RF混频器输入端由外部提供匹配，50Ω RF 声表面波滤波器用于抑制镜频信号，中频输出通过低输出阻抗的射极跟随器提供，便于直接驱动阻抗为400Ω的135MHz 中频SAW。中频混频器在保证足够的IIP3和噪声系数要求的前提下可提供较高的转换增益，射极跟随器输出直接驱动外部由分立元件组成的高阻、差分、三阶低通滤波器。IF混频器输出信号被送入一个增益控制范围达50dB的AGC放大器，总的接收器增益大于100dB。采用两级下变频结构，第一中频SAW所提供的高选择性，可使系统获得优异的抗干扰能力。

    MAX2740的输出信号为差分方式，使后续的三重自适应数字化具有很高的接收灵敏度和抑制带内干扰信号的能力。内置集成频率合成器从20MHz外部基准产生两级下变频所需要的本振信号：120MHz和1.44GHz。外接电感或陶瓷谐振器组成的VCO谐振网络具有极低的相位噪声，使本振抖动降至最小，这使MAX2740对于采用载波相位技术、要求亚厘米精度的产品如高精度遥测来说也非常理想。
图1电路配合一个直接连接至RF端口的无源锥形天线所构成的系统的典型载波-噪声特性（C/N）如表一，卫星跟踪结果表明，对于一定范围内不同的卫星仰角均具有满意的C/N系数。

表1 卫星跟踪测试结果

三、GPS/Glonass接收机

    Glonass全球导航卫星系统与GPS系统具有相同的射频频段（L波段），都采用以伪随机码进行扩谱调制的伪码测距系统，卫星的发射功率、轨道高度、仰角等参数基本相同，为充分利用导航卫星的资源，改善卫星定位的几何图形，提高定位精度，许多国家都在积极采用GPS/Glonass组合系统。由于GPS采用的是码分复用制，每颗卫星的发射载频相同，而Glonass信号区分是采用频分复用制，每颗卫星的发射载频不同，需要额外的频率合成器实现卫星之间的跳频，利用MAX2740配合少量外部元器件可构成低成本、具有高性能指标的GPS/Glonass导航、定时系统。图2电路为一GPS/Glonass接收器的配置方案，要求DSP能够支持GPS/Glonass组合系统，具有12个通道：10个50bps通道支持GPS/Glonass，另外两个高速500bps通道支持GPS、Glonass、WAAS或Egnos信道。

    随着通讯技术和半导体集成技术的发展，GPS系统已被广泛应用于飞机导航、船舶进出港控制、各种车辆的定位与指挥调度、基站或无线本地环路定时等领域，最近芬兰手机生产商将GPS与GSM手机相结合，研制出一种导航手机，它除了可在GSM900 / 1800网络上通话外，还是一部GPS导航仪，可以随时显示手机用户的所在地和附近山势、地形、街道索引的道路蓝图，具有独特的"找人"功能，可以定位并找到有同样电话的人。相信第三代移动通讯的发展将进一步拓宽GPS的应用领域。