新型GPS技術方案與芯片及其應用
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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、運輸、測量、勘探等諸多領域。隨著數字大規(guī)模集成電路的發(fā)展和定位功能需求，GPS已經開始更多地嵌入到移動手持設備、消費電子產品中。為此本文將對新型GPS技術方案與芯片及其應用作分析說明。首先應了解GPS的構成及特點。
1、GPS的基本架構及特點
GPS是一種精密的衛(wèi)星導航系統。該系統由24顆繞地球旋轉的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星連續(xù)不斷地發(fā)送位置和時間信息。這些衛(wèi)星均勻地分布在6個軌道上，每個軌道有4 顆衛(wèi)星。地面GPS接收機可接收5到12顆衛(wèi)星信號。為實現地面定位功能，GPS接收機至少需要接收4個衛(wèi)星信號，其中3個信號用來計算GPS接收機的緯度、經度和海拔高度，第四個信號提供同步時間校準。
GPS系統主要分為三個部分：其一、衛(wèi)星，在天上提供定位信息；其二、控制系統，在地面維護衛(wèi)星的正常運轉，保證衛(wèi)星的健康狀態(tài)；其三、接收機，一般用戶所使用的部分。其定位原理是將地球分為12個橫切面，每個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，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、坐標和角度是已知的，衛(wèi)星和人之間的距離是可測量的，根據幾何原理，通常接收機只要接到三顆衛(wèi)星的信息便可確定二維坐標即經緯度，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27顆）網絡運行于非同步、近地軌道并覆蓋全球，保證了定位系統的運行。而GPS接收機至少需要鎖定4顆星，才能提供定位信息。這些衛(wèi)星廣播或發(fā)送的長系列碼（或數字組合）稱偽隨機碼。GPS接收機可通過已知的衛(wèi)星偽隨機碼、光速以及保持衛(wèi)星位置的查詢表等參數，就能夠計算出衛(wèi)星的傳輸時間，再將傳輸時間轉為距離。在多個衛(wèi)星(大于4)的條件下，通過求解三角方程就可以算出GPS接收機的位置，也提供了用戶的位置。
而GPS芯片是由一塊射頻集成電路、一塊數字信號處理電路和標準嵌入式GPS軟件構成。射頻集成電路用于檢測和處理GPS射頻信號，數字信號處理電路用于處理中頻信號，標準嵌入式GPS軟件用于搜索和跟蹤GPS衛(wèi)星信號，并根據這些信號求解用戶坐標和速度，其主打市場是無線于持設備、汽車、便攜式汁算設備以及一些CPS專業(yè)用戶。其圖1所示是以手持式GPS系統芯片結構示意框圖。
圖1
2、傳統的GPS與新技術GPS方案的優(yōu)勢
到目前為止，傳統GPS，如移動設備中所采用的全球定位技術都存在價格高、功耗大、尺寸大等問題。因此開發(fā)純軟件GPS接收機，通過軟件完成GPS芯片的功能，從而進一步降低成本，促使更多的手持便攜設備采用GPS功能是針對市場對下一代技術的主要需求。
2.1新技術GPS方案的優(yōu)勢
在于它與其它基于硬件的多芯片方案相比，大大降低了系統成本、功耗和尺寸。該軟件方案可工作在自動和輔助兩種GPS模式，在每一秒鐘為系統(如汽車跟蹤)提供方位信息。也可以對算法進行調整，使其符合步行或室內應用的要求，為蜂窩電話、PDA、數碼相機、MP3播放器、膝上型電腦、便攜式DVD播放器等移動產品提供最優(yōu)的GPS設計。
2.2新技術GPS方案的術特征
是將專有的RF IC設計技術與新的軟件GPS技術相結合，開發(fā)出了完全符合移動和便攜產品苛刻要求的解決方案，例如Maxim的RF IC設計技術與Philips創(chuàng)新的軟件GPS技術相結合優(yōu)武就是典型代表。為此可從以下二點具體說明。
a 關于初始設計。基于該新技術GPS方案的第一款是針對膝上型電腦USB附件而優(yōu)化的參考設計。該設計啟用了低成本／高性能的GPS add-ons。其最簡單的形式可以是一個GPS條，將膝上型電腦轉化成一個大屏幕導航裝置。另一種應用是USB GPS附件，用于連接具備USB OTG的智能電話。此外，這一小尺寸、低功耗設計可以與其它設備，如：USB存儲器驅動器或USB MP3相結合，在這些設備中實現GPS功能。
b 硬件/軟件的融合。整個參考設計基于GPS接收器前端,如基于Maxim的MAX2741 GPS接收器前端，其MAX2741內置LNA、自適應AGC和VCO。此外，MAX2741集成了一個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，能夠裝載并運行在各種標準處理器上，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，利用新技術進行信號處理，提取衛(wèi)星信號，產生有效的定位信息。
3、例舉新技術GPS方案的應用
3.1應用信息娛樂系統中現有的應用處理器完成GPS／Galileo功能
獨特的基于軟件的GPS方案，無需改動的硬件即可完成GPS／GalileoGa升級。與全球定位系統(GPS)類似，Galileo是歐洲太空總署正在開發(fā)的歐洲導航系統Galileo。預計在幾年之內完全運轉起來。向GPS衛(wèi)星系統中加入Galileo導航系統，與僅僅具有GPS的系統相比，將會使性能得到極大地改善。由于汽車市場具有較長的設計周期，當今制造商們正在為這項新技術的應用做積極的準備。GPS／Galileo(GNSS)技術利用系統主處理器來執(zhí)行所需的GNSS定位計算，無需價格昂貴而又龐大的基帶IC。因此將GNSS的整個硬件物料清單縮減為只需RF前端電路。這項新的技術所提供的性能與傳統的硬件連線多芯片GPS方案相當，但成本卻是當前業(yè)界最低的，尺寸也最為纖小。該GNSS方案可為信息娛樂系統提供無與倫比的靈活性。軟件提供單機模式和援助模式，并可為滿足您的汽車導航需求而進行優(yōu)化。圖2為傳統的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€功能完備的GPS導航系統
獨特的軟件GPS，成本和尺寸削減50％。全球定位系統(GPS)技術利用系統主處理器來執(zhí)行所需的GPS計算，無需價格昂貴而又龐大的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資源，例如參考時鐘。并且，這種基于軟件的GPS只需要元件數較少的BOM表，進一步削減了GPS方案的尺寸和成本。GPS方案提供無與倫比的靈活性，可拓寬超級移動PC(UMPC)、膝上型電腦、PDA和智能電話中基于位置的應用功能。提供獨立及輔助GPS模式和不同大小的軟件，并可針對不同的應用進行優(yōu)化，例如汽車導航、個人導航或單點位置校正應用。其示意圖與圖2相同。
4、核心芯片是GPS系統的關鍵部分之—
核心芯片的優(yōu)劣在很大程度上決定了不同GPS產品的性能差異，芯片技術直接關系到GPS產品的技術指標和未來發(fā)展走向。
GPS芯片由一塊射頻集成電路、一塊數字信號處理電路和標準嵌入式GPS軟件構成.射頻集成電路用于檢測和處理GPS射頻信號，數字信號處理電路用于處理中頻信號，標準嵌入式GPS軟件用于搜索和跟蹤GPS衛(wèi)星信號，并根據這些信號求解用戶坐標和速度，其主打市場是無線于持設備、汽車、便攜式汁算設備以及一些CPS專業(yè)用戶。
這可以由嵌入式CPS導航系統的核心技術來看，以三星ARM9系列中的16／32位RISC處理器S3C2410A芯片為例，該芯片強大的實時處理能力和豐富的外圍接門非常適合嵌入式系統的開發(fā)。而該系統就是基于該芯片的這些特點而設計的。該系統以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；另外，就是在系統外部加裝可用于收GPS信號的GPS模塊，用于顯示的液晶面板，以及LJDAl341TS的語音芯片系統。
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內核，增加了一個專用APB和12通道的GPS相關器,內部B256K+16K的FLASH存儲器和6K的SRAM，以及標準STR710的所有外設資源。ST配合STA2051發(fā)布基于ST專有嵌入式操作系統OS的完整的軟件運行庫實現，實現GPS完整解決方案同時可提供開放的ARM和外設資源給用戶，在功耗和成本上更具優(yōu)勢。
STA2051產品家族包括TQFP64的汽車級的STA201和消費級的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；內嵌256k字節(jié)+16k字節(jié)FLASH，64k字節(jié)SRAM；EMI(External Memory Interface)擴展存儲器接口(僅TQFPl44)，分為4區(qū)，最大可擴展至64M字節(jié)；12通道GPS硬件相關器(STMicroelectronics IP)；獨立的RTC(Real-Time-Clock)帶喚醒功能；CAN控制器(CAN Protocol rev．2.0partA and B)高達1 Mbit／s；四路16-位多功能定時器(捕捉,比較，計數，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，FM0 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市場最快的首次定位時間。這些單機多用途的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能力，應用整合也很方便，使體積與成本都受嚴格限制的汽車電子、消費和工業(yè)等各種應用能夠迅速上市。
u-blox5提供超快速的首次定位時間，它所采用的GPS架構不僅擁有50個通道，還提供超過100萬個相關器(correlators) 以及獨立的定位與搜尋引擎，可以進行大規(guī)模的平行搜尋。在u-blox的AssistNow A-GPS服務協助下，u-blox5芯片與模塊不到1秒就能取得衛(wèi)星訊號和完成首次定位。
這些LEA-5模塊不但是目前市場上最快速和最靈敏的GPS模塊，而且體積很小及成本很低，最適合大眾市場的GPS消費裝置采用。
LEA-5HGPS模塊內含閃存，這能簡化軔體升級和系統設定值儲存；以ROM為基礎的LEA-5S則能進一步降低成本。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。
LEA-5 GPS模塊是u-blox公司（瑞士）的芯片，它有以下5個顯著特點：有等效超過l 000 000個相關器的并行通道，靈敏度由原來的-l 5 8d bm提升到不低于-160dbm；功耗不大于50mW；同時支持GPS及伽利略兩種定位平臺；冷啟動時間由原來的34s縮短到冷啟動29s，加上A-GPS輔助定位技術，室外冷啟動可在ls之內；GPS通道數由第四代的16通道增加至第五代50個通道。u-blox-g5可以應用于手機及PDA等移動產品，極大地擴展廠移動領域的市場。
5、GPS芯片應用-用MAX2742構建GPS接收機
接收機是GPS（全球定位系統）中重要組成部份,對使用者來說GPS接收機應用日益廣泛,值此對GPS接收機架構先作剖析。
5.1 GPS接收機基本架構
一個典型的GPS接收機包含如圖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，從載波頻率中分離出偽隨機碼，并將其送至GPS信號處理器，在多數現有的接收機中，RF前端部分加上GPS信號處理器能夠同時處理4至12顆衛(wèi)星信號。這種并行處理的能力提供了更高的定位精度，縮短了輸出數據的時間。主處理器向用戶提供數據，即可以通過一個GUI(圖象用戶接口)、顯示屏，或者其它操作系統途徑向用戶提供數據(見圖4左側所示)，至于何種途徑這取決于實際應用的要求。而同步和定時是GPS接收機的重要特性，為此用數控溫補晶體振蕩器TCXO（如DS4000）實現同步與定時的目的,見圖4所示。
在圖3的框圖中，存在2個振蕩源，包括REF(基準)晶體(或振蕩器)和RTC(實時時鐘)晶體。REF晶體或振蕩器可以相當精確或不精確，取決所使用的接收機。典型范圍介于13MHz至30MHz之間，取決于生產廠家。在那些采用GPS接收機作為精密時間基準的應用中,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)星和接收機之間的任何定時滑動。
RTC晶體為GPS接收機捕獲信號過程提供實時時鐘信息，以在27顆衛(wèi)星群中捕獲不同的衛(wèi)星。通過關于衛(wèi)星位置信息的查詢表，RTC有助于提供一個鎖定所有可見衛(wèi)星的起始點。
5.2用MAX2742構建GPS接收機
利用集成CMOS RF前端GPS接收機MAX2742(見圖2所示)，和附加極少的外部元件，即可構成一個完整的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片內集成了低噪聲放大器(LNA)、混頻器、BPF、自動增益控制放大器(AGC)、本振合成器、時鐘緩沖器和內部數字采樣器。 該器件能夠與許多商用GPS基帶IC接口，適合多種應用，其中包括：汽車導航、遠程信息處理、自動安全監(jiān)控、資產跟蹤、定位服務(LBS)及其它消費類電子產品。用MAX2742構成一個完整的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)。總的信號變換增益為120dB，噪聲系數4.5dB。IF信號以18.414MHz的參考時鐘頻率進行采樣。
6、結語
新型GPS技術方案應用.汽車電子、膝上型電腦、PDA、蜂窩電話、數碼相機、便攜式DVD播放器、資產管理。
可以看到GPS芯片正向高靈敏度、低功耗、多模(兼容galileo或其他導航系統)、A-GPS方向發(fā)展.在開發(fā)GPS產品時，應該把目光主要瞄準未來集成GPS的各種IT設備，如手機、數碼相機、PDA、筆記本電腦，做嵌入式解決方案，其次，必須解決高靈敏度、低功耗的問題，應用最先進的芯片，開發(fā)對于弱信號捕獲和跟蹤的算法和硬件。
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