新型GPS技術(shù)方案與芯片及其應(yīng)用
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英飛凌汽車電子生態(tài)圈
GPS已被廣泛／業(yè)用于航天、航空、航海、運(yùn)輸、測(cè)量、勘探等諸多領(lǐng)域。隨著數(shù)字大規(guī)模集成電路的發(fā)展和定位功能需求，GPS已經(jīng)開(kāi)始更多地嵌入到移動(dòng)手持設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品中。為此本文將對(duì)新型GPS技術(shù)方案與芯片及其應(yīng)用作分析說(shuō)明。首先應(yīng)了解GPS的構(gòu)成及特點(diǎn)。
1、GPS的基本架構(gòu)及特點(diǎn)
GPS是一種精密的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由24顆繞地球旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星連續(xù)不斷地發(fā)送位置和時(shí)間信息。這些衛(wèi)星均勻地分布在6個(gè)軌道上，每個(gè)軌道有4 顆衛(wèi)星。地面GPS接收機(jī)可接收5到12顆衛(wèi)星信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)地面定位功能，GPS接收機(jī)至少需要接收4個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，其中3個(gè)信號(hào)用來(lái)計(jì)算GPS接收機(jī)的緯度、經(jīng)度和海拔高度，第四個(gè)信號(hào)提供同步時(shí)間校準(zhǔn)。
GPS系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：其一、衛(wèi)星，在天上提供定位信息；其二、控制系統(tǒng)，在地面維護(hù)衛(wèi)星的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證衛(wèi)星的健康狀態(tài)；其三、接收機(jī)，一般用戶所使用的部分。其定位原理是將地球分為12個(gè)橫切面，每個(gè)橫切面上有兩顆定位衛(wèi)星，互成180度的夾角，因而站在地球上的任一點(diǎn)，頭頂上總有十二顆定位衛(wèi)星。衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的距離、坐標(biāo)和角度是已知的，衛(wèi)星和人之間的距離是可測(cè)量的，根據(jù)幾何原理，通常接收機(jī)只要接到三顆衛(wèi)星的信息便可確定二維坐標(biāo)即經(jīng)緯度，接收到四顆衛(wèi)星的信息便可確定海拔高度。
目前衛(wèi)星（多達(dá)27顆）網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行于非同步、近地軌道并覆蓋全球，保證了定位系統(tǒng)的運(yùn)行。而GPS接收機(jī)至少需要鎖定4顆星，才能提供定位信息。這些衛(wèi)星廣播或發(fā)送的長(zhǎng)系列碼（或數(shù)字組合）稱偽隨機(jī)碼。GPS接收機(jī)可通過(guò)已知的衛(wèi)星偽隨機(jī)碼、光速以及保持衛(wèi)星位置的查詢表等參數(shù)，就能夠計(jì)算出衛(wèi)星的傳輸時(shí)間，再將傳輸時(shí)間轉(zhuǎn)為距離。在多個(gè)衛(wèi)星(大于4)的條件下，通過(guò)求解三角方程就可以算出GPS接收機(jī)的位置，也提供了用戶的位置。
而GPS芯片是由一塊射頻集成電路、一塊數(shù)字信號(hào)處理電路和標(biāo)準(zhǔn)嵌入式GPS軟件構(gòu)成。射頻集成電路用于檢測(cè)和處理GPS射頻信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理電路用于處理中頻信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)嵌入式GPS軟件用于搜索和跟蹤GPS衛(wèi)星信號(hào)，并根據(jù)這些信號(hào)求解用戶坐標(biāo)和速度，其主打市場(chǎng)是無(wú)線于持設(shè)備、汽車、便攜式汁算設(shè)備以及一些CPS專業(yè)用戶。其圖1所示是以手持式GPS系統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)示意框圖。
圖1
2、傳統(tǒng)的GPS與新技術(shù)GPS方案的優(yōu)勢(shì)
到目前為止，傳統(tǒng)GPS，如移動(dòng)設(shè)備中所采用的全球定位技術(shù)都存在價(jià)格高、功耗大、尺寸大等問(wèn)題。因此開(kāi)發(fā)純軟件GPS接收機(jī)，通過(guò)軟件完成GPS芯片的功能，從而進(jìn)一步降低成本，促使更多的手持便攜設(shè)備采用GPS功能是針對(duì)市場(chǎng)對(duì)下一代技術(shù)的主要需求。
2.1新技術(shù)GPS方案的優(yōu)勢(shì)
在于它與其它基于硬件的多芯片方案相比，大大降低了系統(tǒng)成本、功耗和尺寸。該軟件方案可工作在自動(dòng)和輔助兩種GPS模式，在每一秒鐘為系統(tǒng)(如汽車跟蹤)提供方位信息。也可以對(duì)算法進(jìn)行調(diào)整，使其符合步行或室內(nèi)應(yīng)用的要求，為蜂窩電話、PDA、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器、膝上型電腦、便攜式DVD播放器等移動(dòng)產(chǎn)品提供最優(yōu)的GPS設(shè)計(jì)。
2.2新技術(shù)GPS方案的術(shù)特征
是將專有的RF IC設(shè)計(jì)技術(shù)與新的軟件GPS技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出了完全符合移動(dòng)和便攜產(chǎn)品苛刻要求的解決方案，例如Maxim的RF IC設(shè)計(jì)技術(shù)與Philips創(chuàng)新的軟件GPS技術(shù)相結(jié)合優(yōu)武就是典型代表。為此可從以下二點(diǎn)具體說(shuō)明。
a 關(guān)于初始設(shè)計(jì)。基于該新技術(shù)GPS方案的第一款是針對(duì)膝上型電腦USB附件而優(yōu)化的參考設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)啟用了低成本／高性能的GPS add-ons。其最簡(jiǎn)單的形式可以是一個(gè)GPS條，將膝上型電腦轉(zhuǎn)化成一個(gè)大屏幕導(dǎo)航裝置。另一種應(yīng)用是USB GPS附件，用于連接具備USB OTG的智能電話。此外，這一小尺寸、低功耗設(shè)計(jì)可以與其它設(shè)備，如：USB存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)器或USB MP3相結(jié)合，在這些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)GPS功能。
b 硬件/軟件的融合。整個(gè)參考設(shè)計(jì)基于GPS接收器前端,如基于Maxim的MAX2741 GPS接收器前端，其MAX2741內(nèi)置LNA、自適應(yīng)AGC和VCO。此外，MAX2741集成了一個(gè)1、2或3位ADC，用于支持2MHz至26MHz的參考頻率，采用2.7V至3.0V電源供電。而軟件(如Philips的Spot軟件)是用ANSI C編寫的600Kb程序代碼，能夠裝載并運(yùn)行在各種標(biāo)準(zhǔn)處理器上，例如：ARM、Intel Xscale或TI-OMAP。軟件獲取GPS前端接收器輸出和衛(wèi)星定位信息，然后下載衛(wèi)星星歷，利用新技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理，提取衛(wèi)星信號(hào)，產(chǎn)生有效的定位信息。
3、例舉新技術(shù)GPS方案的應(yīng)用
3.1應(yīng)用信息娛樂(lè)系統(tǒng)中現(xiàn)有的應(yīng)用處理器完成GPS／Galileo功能
獨(dú)特的基于軟件的GPS方案，無(wú)需改動(dòng)的硬件即可完成GPS／GalileoGa升級(jí)。與全球定位系統(tǒng)(GPS)類似，Galileo是歐洲太空總署正在開(kāi)發(fā)的歐洲導(dǎo)航系統(tǒng)Galileo。預(yù)計(jì)在幾年之內(nèi)完全運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。向GPS衛(wèi)星系統(tǒng)中加入Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)，與僅僅具有GPS的系統(tǒng)相比，將會(huì)使性能得到極大地改善。由于汽車市場(chǎng)具有較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期，當(dāng)今制造商們正在為這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用做積極的準(zhǔn)備。GPS／Galileo(GNSS)技術(shù)利用系統(tǒng)主處理器來(lái)執(zhí)行所需的GNSS定位計(jì)算，無(wú)需價(jià)格昂貴而又龐大的基帶IC。因此將GNSS的整個(gè)硬件物料清單縮減為只需RF前端電路。這項(xiàng)新的技術(shù)所提供的性能與傳統(tǒng)的硬件連線多芯片GPS方案相當(dāng)，但成本卻是當(dāng)前業(yè)界最低的，尺寸也最為纖小。該GNSS方案可為信息娛樂(lè)系統(tǒng)提供無(wú)與倫比的靈活性。軟件提供單機(jī)模式和援助模式，并可為滿足您的汽車導(dǎo)航需求而進(jìn)行優(yōu)化。圖2為傳統(tǒng)的GPS方案與新型基于軟件GPS方案比較示意框圖。
圖2
3.2將UMPC或膝上型電腦變?yōu)橐粋€(gè)功能完備的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)
獨(dú)特的軟件GPS，成本和尺寸削減50％。全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)利用系統(tǒng)主處理器來(lái)執(zhí)行所需的GPS計(jì)算，無(wú)需價(jià)格昂貴而又龐大的GPS基帶IC。此外，高度集成和極為靈活的RFIC(如MAX274l)，可以最大程度的再利用其它系統(tǒng)資源，例如參考時(shí)鐘。并且，這種基于軟件的GPS只需要元件數(shù)較少的BOM表，進(jìn)一步削減了GPS方案的尺寸和成本。GPS方案提供無(wú)與倫比的靈活性，可拓寬超級(jí)移動(dòng)PC(UMPC)、膝上型電腦、PDA和智能電話中基于位置的應(yīng)用功能。提供獨(dú)立及輔助GPS模式和不同大小的軟件，并可針對(duì)不同的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，例如汽車導(dǎo)航、個(gè)人導(dǎo)航或單點(diǎn)位置校正應(yīng)用。其示意圖與圖2相同。
4、核心芯片是GPS系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之—
核心芯片的優(yōu)劣在很大程度上決定了不同GPS產(chǎn)品的性能差異，芯片技術(shù)直接關(guān)系到GPS產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)和未來(lái)發(fā)展走向。
GPS芯片由一塊射頻集成電路、一塊數(shù)字信號(hào)處理電路和標(biāo)準(zhǔn)嵌入式GPS軟件構(gòu)成.射頻集成電路用于檢測(cè)和處理GPS射頻信號(hào)，數(shù)字信號(hào)處理電路用于處理中頻信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)嵌入式GPS軟件用于搜索和跟蹤GPS衛(wèi)星信號(hào)，并根據(jù)這些信號(hào)求解用戶坐標(biāo)和速度，其主打市場(chǎng)是無(wú)線于持設(shè)備、汽車、便攜式汁算設(shè)備以及一些CPS專業(yè)用戶。
這可以由嵌入式CPS導(dǎo)航系統(tǒng)的核心技術(shù)來(lái)看，以三星ARM9系列中的16／32位RISC處理器S3C2410A芯片為例，該芯片強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理能力和豐富的外圍接門非常適合嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。而該系統(tǒng)就是基于該芯片的這些特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)以SC2410A微處理器為核心，與2片32M的SDRAM(HY57V561620CT)和64M的NANDFlash(K9F1208UOB)整合為最小的一套系統(tǒng)；另外，就是在系統(tǒng)外部加裝可用于收GPS信號(hào)的GPS模塊，用于顯示的液晶面板，以及LJDAl341TS的語(yǔ)音芯片系統(tǒng)。
而ST公司提供完整的GPS解決方案，包括GPS基帶控制器以及RF接收器。ST的STA2051采用ARM7TDMI內(nèi)核，增加了一個(gè)專用APB和12通道的GPS相關(guān)器,內(nèi)部B256K+16K的FLASH存儲(chǔ)器和6K的SRAM，以及標(biāo)準(zhǔn)STR710的所有外設(shè)資源。ST配合STA2051發(fā)布基于ST專有嵌入式操作系統(tǒng)OS的完整的軟件運(yùn)行庫(kù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)GPS完整解決方案同時(shí)可提供開(kāi)放的ARM和外設(shè)資源給用戶，在功耗和成本上更具優(yōu)勢(shì)。
STA2051產(chǎn)品家族包括TQFP64的汽車級(jí)的STA201和消費(fèi)級(jí)的STA2051GO，以及TQFPl44的更多I／O資源的STA2051E。
STA2051主要特性：0.18um工藝，3.3V單電源工作，低功耗；ARM 7TDMI，32位RISC引擎，Debug接口，JTAG；內(nèi)嵌256k字節(jié)+16k字節(jié)FLASH，64k字節(jié)SRAM；EMI(External Memory Interface)擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口(僅TQFPl44)，分為4區(qū)，最大可擴(kuò)展至64M字節(jié)；12通道GPS硬件相關(guān)器(STMicroelectronics IP)；獨(dú)立的RTC(Real-Time-Clock)帶喚醒功能；CAN控制器(CAN Protocol rev．2.0partA and B)高達(dá)1 Mbit／s；四路16-位多功能定時(shí)器(捕捉,比較，計(jì)數(shù)，PWM)；四路UARTS，雙SPI，雙I2C和USB(僅144 PIN)等串口通信;智能卡(1S0 7816-3 incl．Clock generation)；看門狗及喚醒控制(RTC或外部觸發(fā))；HDLC控制(incl．NRZI，F(xiàn)M0 and Manchester encoder)；4通道12位ADC變換器(Sigma-Delta)；片上電壓穩(wěn)壓器為CPU及核心邏輯；工作溫度：-40℃～+85℃。
50通道LEA-5 GPS模組，可提供超越現(xiàn)有水平的速度、靈敏度及整合方便性。
LEA-5GPS模塊系列擁有GPS市場(chǎng)最快的首次定位時(shí)間。這些單機(jī)多用途的GPS接收器采用u-blox 5 GPS與GALILEO芯片，不僅具有豐富功能和彈性連結(jié)能力，應(yīng)用整合也很方便，使體積與成本都受嚴(yán)格限制的汽車電子、消費(fèi)和工業(yè)等各種應(yīng)用能夠迅速上市。
u-blox5提供超快速的首次定位時(shí)間，它所采用的GPS架構(gòu)不僅擁有50個(gè)通道，還提供超過(guò)100萬(wàn)個(gè)相關(guān)器(correlators) 以及獨(dú)立的定位與搜尋引擎，可以進(jìn)行大規(guī)模的平行搜尋。在u-blox的AssistNow A-GPS服務(wù)協(xié)助下，u-blox5芯片與模塊不到1秒就能取得衛(wèi)星訊號(hào)和完成首次定位。
這些LEA-5模塊不但是目前市場(chǎng)上最快速和最靈敏的GPS模塊，而且體積很小及成本很低，最適合大眾市場(chǎng)的GPS消費(fèi)裝置采用。
LEA-5HGPS模塊內(nèi)含閃存，這能簡(jiǎn)化軔體升級(jí)和系統(tǒng)設(shè)定值儲(chǔ)存；以ROM為基礎(chǔ)的LEA-5S則能進(jìn)一步降低成本。這兩套模塊都提供u-blox的OMASUPL兼容A-GPS界面，并且支持AssistNow online和AssistNow offlineA-GPS服務(wù)。
LEA-5 GPS模塊是u-blox公司（瑞士）的芯片，它有以下5個(gè)顯著特點(diǎn)：有等效超過(guò)l 000 000個(gè)相關(guān)器的并行通道，靈敏度由原來(lái)的-l 5 8d bm提升到不低于-160dbm；功耗不大于50mW；同時(shí)支持GPS及伽利略兩種定位平臺(tái)；冷啟動(dòng)時(shí)間由原來(lái)的34s縮短到冷啟動(dòng)29s，加上A-GPS輔助定位技術(shù)，室外冷啟動(dòng)可在ls之內(nèi)；GPS通道數(shù)由第四代的16通道增加至第五代50個(gè)通道。u-blox-g5可以應(yīng)用于手機(jī)及PDA等移動(dòng)產(chǎn)品，極大地?cái)U(kuò)展廠移動(dòng)領(lǐng)域的市場(chǎng)。
5、GPS芯片應(yīng)用-用MAX2742構(gòu)建GPS接收機(jī)
接收機(jī)是GPS（全球定位系統(tǒng)）中重要組成部份,對(duì)使用者來(lái)說(shuō)GPS接收機(jī)應(yīng)用日益廣泛,值此對(duì)GPS接收機(jī)架構(gòu)先作剖析。
5.1 GPS接收機(jī)基本架構(gòu)
一個(gè)典型的GPS接收機(jī)包含如圖3所示的功能塊，它包括：射頻部分(GPS-RF前端)、GPS信號(hào)處理器和主處理器。
圖3
其中RF部分包括：GPS天線、RF濾波器和GPS RF前端。RF部分接收衛(wèi)星信號(hào)，從載波頻率中分離出偽隨機(jī)碼，并將其送至GPS信號(hào)處理器，在多數(shù)現(xiàn)有的接收機(jī)中，RF前端部分加上GPS信號(hào)處理器能夠同時(shí)處理4至12顆衛(wèi)星信號(hào)。這種并行處理的能力提供了更高的定位精度，縮短了輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間。主處理器向用戶提供數(shù)據(jù)，即可以通過(guò)一個(gè)GUI(圖象用戶接口)、顯示屏，或者其它操作系統(tǒng)途徑向用戶提供數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖4左側(cè)所示)，至于何種途徑這取決于實(shí)際應(yīng)用的要求。而同步和定時(shí)是GPS接收機(jī)的重要特性，為此用數(shù)控溫補(bǔ)晶體振蕩器TCXO（如DS4000）實(shí)現(xiàn)同步與定時(shí)的目的,見(jiàn)圖4所示。
在圖3的框圖中，存在2個(gè)振蕩源，包括REF(基準(zhǔn))晶體(或振蕩器)和RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)晶體。REF晶體或振蕩器可以相當(dāng)精確或不精確，取決所使用的接收機(jī)。典型范圍介于13MHz至30MHz之間，取決于生產(chǎn)廠家。在那些采用GPS接收機(jī)作為精密時(shí)間基準(zhǔn)的應(yīng)用中,REF振蕩器可以是銣源、OCXO、甚至TCXO。在這種情況下，主處理器將修正衛(wèi)星和接收機(jī)之間的任何定時(shí)滑動(dòng)。
RTC晶體為GPS接收機(jī)捕獲信號(hào)過(guò)程提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息，以在27顆衛(wèi)星群中捕獲不同的衛(wèi)星。通過(guò)關(guān)于衛(wèi)星位置信息的查詢表，RTC有助于提供一個(gè)鎖定所有可見(jiàn)衛(wèi)星的起始點(diǎn)。
5.2用MAX2742構(gòu)建GPS接收機(jī)
利用集成CMOS RF前端GPS接收機(jī)MAX2742(見(jiàn)圖2所示)，和附加極少的外部元件，即可構(gòu)成一個(gè)完整的GPS解決方案。
MAX2742是CMOS、單芯片、GPS前端下變頻器。這款性能優(yōu)異的器件只需消耗極低的功率(32mW，2.4V)，并且不需要昂貴的IF SAW濾波器和體積龐大的分立IF SAW濾波器。MAX2742片內(nèi)集成了低噪聲放大器(LNA)、混頻器、BPF、自動(dòng)增益控制放大器(AGC)、本振合成器、時(shí)鐘緩沖器和內(nèi)部數(shù)字采樣器。 該器件能夠與許多商用GPS基帶IC接口，適合多種應(yīng)用，其中包括：汽車導(dǎo)航、遠(yuǎn)程信息處理、自動(dòng)安全監(jiān)控、資產(chǎn)跟蹤、定位服務(wù)(LBS)及其它消費(fèi)類電子產(chǎn)品。用MAX2742構(gòu)成一個(gè)完整的GPS RF解決方案只需少量的外部元件。MAX2742工作于18.414MHz晶體或TXCO，提供差分或單端 IF輸出(1.023MHz)?？偟男盘?hào)變換增益為120dB，噪聲系數(shù)4.5dB。IF信號(hào)以18.414MHz的參考時(shí)鐘頻率進(jìn)行采樣。
6、結(jié)語(yǔ)
新型GPS技術(shù)方案應(yīng)用.汽車電子、膝上型電腦、PDA、蜂窩電話、數(shù)碼相機(jī)、便攜式DVD播放器、資產(chǎn)管理。
可以看到GPS芯片正向高靈敏度、低功耗、多模(兼容galileo或其他導(dǎo)航系統(tǒng))、A-GPS方向發(fā)展.在開(kāi)發(fā)GPS產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)該把目光主要瞄準(zhǔn)未來(lái)集成GPS的各種IT設(shè)備，如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PDA、筆記本電腦，做嵌入式解決方案，其次，必須解決高靈敏度、低功耗的問(wèn)題，應(yīng)用最先進(jìn)的芯片，開(kāi)發(fā)對(duì)于弱信號(hào)捕獲和跟蹤的算法和硬件。
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