GPS接收器架構(gòu)與設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　GPS無(wú)疑為當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)亮點(diǎn)之一，其主力產(chǎn)品便攜式導(dǎo)航產(chǎn)品(Portable Navigation Device，PND)近年來(lái)交出極亮麗的銷(xiāo)售佳績(jī)。根據(jù)“資策會(huì)MIC”日前發(fā)表的最新預(yù)測(cè)報(bào)告指出，2007年全球PND市場(chǎng)的規(guī)模突破2600萬(wàn)臺(tái)，較2006年成長(zhǎng)43%，其中標(biāo)準(zhǔn)型PND市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)2320萬(wàn)臺(tái)。

　　GPS的設(shè)備可分為三大類(lèi)，即車(chē)用GPS、便攜式GPS和其它應(yīng)用設(shè)備(如航空、軍用等)?，F(xiàn)在當(dāng)紅的PND屬于車(chē)用GPS的一種，另一種則為內(nèi)置型GPS系統(tǒng)。內(nèi)置型GPS通常與CD/DVD等車(chē)用信息娛樂(lè)(Infotainment)系統(tǒng)整合，此類(lèi)系統(tǒng)的價(jià)格極高，可達(dá)1000美元；相較之下，PND的價(jià)格便宜許多，而且持續(xù)在降價(jià)，大致可分為三種等級(jí)，即PND系統(tǒng)模塊價(jià)格約199美元的入門(mén)級(jí)產(chǎn)品、約299美元的中端產(chǎn)品，以及可達(dá)399美元的高端產(chǎn)品。

　　另一類(lèi)值得關(guān)注的類(lèi)型則是GPS手機(jī)和GPS PDA等便攜式GPS設(shè)備，這個(gè)市場(chǎng)的用戶(hù)數(shù)又遠(yuǎn)大于車(chē)用市場(chǎng)，因此其成長(zhǎng)遠(yuǎn)景相當(dāng)令人期待。不過(guò)，由于其應(yīng)用性與汽車(chē)導(dǎo)航大相徑庭，強(qiáng)調(diào)的是個(gè)人化的移動(dòng)定位增值服務(wù)，如各種位置服務(wù)(Location basedservice, LBS)，這些服務(wù)的內(nèi)容及服務(wù)體系、機(jī)制都還在建立當(dāng)中；此外，由于便攜式GPS設(shè)備經(jīng)常會(huì)走入室內(nèi)使用，因此對(duì)于定位技術(shù)的要求會(huì)更為嚴(yán)苛。
　
圖1　GPS設(shè)備分類(lèi)
來(lái)源：Memill Lynch

GPS接收器運(yùn)作架構(gòu)

　　這些GPS設(shè)備當(dāng)中的定位核心單元即是GPS接收模塊。這一模塊包括被動(dòng)或主動(dòng)天線(xiàn)、RF前端、GPS引擎、處理器(通常為ARM7)、內(nèi)存(ROM/RAM)和實(shí)時(shí)頻率(RTF)IC等，此外還必須搭配溫度補(bǔ)償型振蕩器(TCXO)；如果有特殊的應(yīng)用需求，還得使用到外部的Flash、EPROM或Serial EEPROM等內(nèi)存。接收及初步處理好的衛(wèi)星數(shù)據(jù)會(huì)再通過(guò)UART、USB等接口傳送給系統(tǒng)中的主處理器／控制器，再與地圖或其它應(yīng)用程序結(jié)合運(yùn)算，并輸出定位導(dǎo)航等畫(huà)面到顯示器上。

　　再進(jìn)一步來(lái)看看GPS的運(yùn)作架構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，GPS天線(xiàn)與接收器是分開(kāi)設(shè)計(jì)的單元，而GPS接收器指的是包括射頻(RF)與數(shù)字基帶(BB)兩大部分。在建置上，GPS設(shè)備的設(shè)計(jì)者可以選用分離式的芯片組作法，以獲得較高的設(shè)計(jì)彈性；也可采用集成的SoC或SiP芯片，以降低采購(gòu)成本及設(shè)計(jì)難度，此外，整合式芯片也具有尺寸小的優(yōu)勢(shì)。

　　在運(yùn)作架構(gòu)上，RF前端的功能在于將從GPS天線(xiàn)接收到的高頻衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶可讀取的中、低頻信號(hào)，再利用GPS基帶來(lái)進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)采集(acquisition)及追蹤(tracking)的工作。在GPS引擎中的主要組成為所謂的相關(guān)器(correlator)，由相關(guān)器再組成通道(channel)，而相關(guān)器與通道的數(shù)量正是決定定位效能好壞的關(guān)鍵所在，因此GPS芯片制造商無(wú)不致力于提升其數(shù)量，其中高端GPS接收器的相關(guān)器件數(shù)量甚至已可達(dá)一百萬(wàn)個(gè)，而通道數(shù)可達(dá)50個(gè)(u-blox 5)。

　　要看一個(gè)GPS接收器的性能，往往會(huì)比較幾個(gè)條件，即首次定位時(shí)間(Time to first