新型GPS技術(shù)方案與芯片及其應用

        GPS是全球衛星定位系統(Global Positioning System，GPS)的英文縮寫(xiě)，GPS利用導航衛星進(jìn)行測時(shí)和測距，以構成全球定位系統.能提供個(gè)人候的定位、授時(shí)、測速功能。

       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(lǐng)域。隨著(zhù)數字大規模集成電路的發(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)手持設備、消費電子產(chǎn)品中。為此本文將對新型GPS技術(shù)方案與芯片及其應用作分析說(shuō)明。首先應了解GPS的構成及特點(diǎn)。

       1、GPS的基本架構及特點(diǎn)

       GPS是一種精密的衛星導航系統。該系統由24顆繞地球旋轉的衛星組成，衛星連續不斷地發(fā)送位置和時(shí)間信息。這些衛星均勻地分布在6個(gè)軌道上，每個(gè)軌道有4 顆衛星。地面GPS接收機可接收5到12顆衛星信號。為實(shí)現地面定位功能，GPS接收機至少需要接收4個(gè)衛星信號，其中3個(gè)信號用來(lái)計算GPS接收機的緯度、經(jīng)度和海拔高度，第四個(gè)信號提供同步時(shí)間校準。

       GPS系統主要分為三個(gè)部分：其一、衛星，在天上提供定位信息；其二、控制系統，在地面維護衛星的正常運轉，保證衛星的健康狀態(tài)；其三、接收機，一般用戶(hù)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星。衛星與衛星之間的距離、坐標和角度是已知的，衛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星的信息便可確定二維坐標即經(jīng)緯度，接收到四顆衛星的信息便可確定海拔高度。

       目前衛星（多達27顆）網(wǎng)絡(luò )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。這些衛星廣播或發(fā)送的長(cháng)系列碼（或數字組合）稱(chēng)偽隨機碼。GPS接收機可通過(guò)已知的衛星偽隨機碼、光速以及保持衛星位置的查詢(xún)表等參數，就能夠計算出衛星的傳輸時(shí)間，再將傳輸時(shí)間轉為距離。在多個(gè)衛星(大于4)的條件下，通過(guò)求解三角方程就可以算出GPS接收機的位置，也提供了用戶(hù)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衛星信號，并根據這些信號求解用戶(hù)坐標和速度，其主打市場(chǎng)是無(wú)線(xiàn)于持設備、汽車(chē)、便攜式汁算設備以及一些CPS專(zhuān)業(yè)用戶(hù)。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(shù)GPS方案的優(yōu)勢

       到目前為止，傳統GPS，如移動(dòng)設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，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備采用GPS功能是針對市場(chǎng)對下一代技術(shù)的主要需求。

       2.1新技術(shù)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(dòng)和輔助兩種GPS模式，在每一秒鐘為系統(如汽車(chē)跟蹤)提供方位信息。也可以對算法進(jìn)行調整，使其符合步行或室內應用的要求，為蜂窩電話(huà)、PDA、數碼相機、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設計。

       2.2新技術(shù)GPS方案的術(shù)特征

       是將專(zhuān)有的RF IC設計技術(shù)與新的軟件GPS技術(shù)相結合，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設計技術(shù)與Philips創(chuàng )新的軟件GPS技術(shù)相結合優(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)于初始設計?；谠撔录夹g(shù)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(jiǎn)單的形式可以是一個(gè)GPS條，將膝上型電腦轉化成一個(gè)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(huà)。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(dòng)器或USB MP3相結合，在這些設備中實(shí)現GPS功能。

       b 硬件/軟件的融合。整個(gè)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(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(xiě)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星定位信息，然后下載衛星星歷，利用新技術(shù)進(jìn)行信號處理，提取衛星信號，產(chǎn)生有效的定位信息。

       3、例舉新技術(shù)GPS方案的應用

       3.1應用信息娛樂(lè )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(wú)需改動(dòng)的硬件即可完成GPS／GalileoGa升級。與全球定位系統(GPS)類(lèi)似，Galileo是歐洲太空總署正在開(kāi)發(fā)的歐洲導航系統Galileo。預計在幾年之內完全運轉起來(lái)。向GPS衛星系統中加入Galileo導航系統，與僅僅具有GPS的系統相比，將會(huì )使性能得到極大地改善。由于汽車(chē)市場(chǎng)具有較長(cháng)的設計周期，當今制造商們正在為這項新技術(shù)的應用做積極的準備。GPS／Galileo(GNSS)技術(shù)利用系統主處理器來(lái)執行所需的GNSS定位計算，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。這項新的技術(shù)所提供的性能與傳統的硬件連線(xiàn)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(lè )系統提供無(wú)與倫比的靈活性。軟件提供單機模式和援助模式，并可為滿(mǎn)足您的汽車(chē)導航需求而進(jìn)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€(gè)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(shù)利用系統主處理器來(lái)執行所需的GPS計算，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，可拓寬超級移動(dòng)PC(UMPC)、膝上型電腦、PDA和智能電話(huà)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(jìn)行優(yōu)化，例如汽車(chē)導航、個(gè)人導航或單點(diǎn)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(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)指標和未來(lái)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衛星信號，并根據這些信號求解用戶(hù)坐標和速度，其主打市場(chǎng)是無(wú)線(xiàn)于持設備、汽車(chē)、便攜式汁算設備以及一些CPS專(zhuān)業(yè)用戶(hù)。

       這可以由嵌入式CPS導航系統的核心技術(shù)來(lái)看，以三星ARM9系列中的16／32位RISC處理器S3C2410A芯片為例，該芯片強大的實(shí)時(shí)處理能力和豐富的外圍接門(mén)非常適合嵌入式系統的開(kāi)發(fā)。而該系統就是基于該芯片的這些特點(diǎn)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(yǔ)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(gè)專(zhuān)用APB和12通道的GPS相關(guān)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(zhuān)有嵌入式操作系統OS的完整的軟件運行庫實(shí)現，實(shí)現GPS完整解決方案同時(shí)可提供開(kāi)放的ARM和外設資源給用戶(hù)，在功耗和成本上更具優(yōu)勢。

       STA2051產(chǎn)品家族包括TQFP64的汽車(chē)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+16k字節FLASH，64k字節SRAM；EMI(External Memory Interface)擴展存儲器接口(僅TQFPl44)，分為4區，最大可擴展至64M字節；12通道GPS硬件相關(guān)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(shí)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(mén)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(chǎng)最快的首次定位時(shí)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?chē)栏裣拗频钠?chē)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(shí)間，它所采用的GPS架構不僅擁有50個(gè)通道，還提供超過(guò)100萬(wàn)個(gè)相關(guān)器(correlators) 以及獨立的定位與搜尋引擎，可以進(jìn)行大規模的平行搜尋。在u-blox的AssistNow A-GPS服務(wù)協(xié)助下，u-blox5芯片與模塊不到1秒就能取得衛星訊號和完成首次定位。

       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消費裝置采用。

       LEA-5HGPS模塊內含閃存，這能簡(jiǎn)化軔體升級和系統設定值儲存；以ROM為基礎的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(zhù)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?xún)煞N定位平臺；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；GPS通道數由第四代的16通道增加至第五代50個(gè)通道。u-blox-g5可以應用于手機及PDA等移動(dòng)產(chǎn)品，極大地擴展廠(chǎng)移動(dòng)領(lǐng)域的市場(chǎng)。

       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(lái)說(shuō)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(gè)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(xiàn)、RF濾波器和GPS RF前端。RF部分接收衛星信號，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(shí)處理4至12顆衛星信號。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(shí)間。主處理器向用戶(hù)提供數據，即可以通過(guò)一個(gè)GUI(圖象用戶(hù)接口)、顯示屏，或者其它操作系統途徑向用戶(hù)提供數據(見(jiàn)圖4左側所示)，至于何種途徑這取決于實(shí)際應用的要求。而同步和定時(shí)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(shí)現同步與定時(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)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(chǎn)廠(chǎng)家。在那些采用GPS接收機作為精密時(shí)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，主處理器將修正衛星和接收機之間的任何定時(shí)滑動(dòng)。

       RTC晶體為GPS接收機捕獲信號過(guò)程提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息，以在27顆衛星群中捕獲不同的衛星。通過(guò)關(guān)于衛星位置信息的查詢(xún)表，RTC有助于提供一個(gè)鎖定所有可見(jiàn)衛星的起始點(diǎn)。

       5.2用MAX2742構建GPS接收機

       利用集成CMOS RF前端GPS接收機MAX2742(見(jiàn)圖2所示)，和附加極少的外部元件，即可構成一個(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(chē)導航、遠程信息處理、自動(dòng)安全監控、資產(chǎn)跟蹤、定位服務(wù)(LBS)及其它消費類(lèi)電子產(chǎn)品。用MAX2742構成一個(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)?？偟男盘栕儞Q增益為120dB，噪聲系數4.5dB。IF信號以18.414MHz的參考時(shí)鐘頻率進(jìn)行采樣。

       6、結語(yǔ)

       新型GPS技術(shù)方案應用.汽車(chē)電子、膝上型電腦、PDA、蜂窩電話(huà)、數碼相機、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或其他導航系統)、A-GPS方向發(fā)展.在開(kāi)發(fā)GPS產(chǎn)品時(shí)，應該把目光主要瞄準未來(lái)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(wèn)題，應用最先進(jìn)的芯片，開(kāi)發(fā)對于弱信號捕獲和跟蹤的算法和硬件。

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