GPS接收器架構與設計挑戰

　　GPS無(wú)疑為當今電子產(chǎn)業(yè)亮點(diǎn)之一，其主力產(chǎn)品便攜式導航產(chǎn)品(Portable Navigation Device，PND)近年來(lái)交出極亮麗的銷(xiāo)售佳績(jì)。根據“資策會(huì )MIC”日前發(fā)表的最新預測報告指出，2007年全球PND市場(chǎng)的規模突破2600萬(wàn)臺，較2006年成長(cháng)43%，其中標準型PND市場(chǎng)規模將達2320萬(wàn)臺。

　　GPS的設備可分為三大類(lèi)，即車(chē)用GPS、便攜式GPS和其它應用設備(如航空、軍用等)?，F在當紅的PND屬于車(chē)用GPS的一種，另一種則為內置型GPS系統。內置型GPS通常與CD/DVD等車(chē)用信息娛樂(lè )(Infotainment)系統整合，此類(lèi)系統的價(jià)格極高，可達1000美元；相較之下，PND的價(jià)格便宜許多，而且持續在降價(jià)，大致可分為三種等級，即PND系統模塊價(jià)格約199美元的入門(mén)級產(chǎn)品、約299美元的中端產(chǎn)品，以及可達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手機和GPS PDA等便攜式GPS設備，這個(gè)市場(chǎng)的用戶(hù)數又遠大于車(chē)用市場(chǎng)，因此其成長(cháng)遠景相當令人期待。不過(guò)，由于其應用性與汽車(chē)導航大相徑庭，強調的是個(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)的內容及服務(wù)體系、機制都還在建立當中；此外，由于便攜式GPS設備經(jīng)常會(huì )走入室內使用，因此對于定位技術(shù)的要求會(huì )更為嚴苛。
　
圖1　GPS設備分類(lèi)
來(lái)源：Memill Lynch

GPS接收器運作架構

　　這些GPS設備當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)、內存(ROM/RAM)和實(shí)時(shí)頻率(RTF)IC等，此外還必須搭配溫度補償型振蕩器(TCXO)；如果有特殊的應用需求，還得使用到外部的Flash、EPROM或Serial EEPROM等內存。接收及初步處理好的衛星數據會(huì )再通過(guò)UART、USB等接口傳送給系統中的主處理器／控制器，再與地圖或其它應用程序結合運算，并輸出定位導航等畫(huà)面到顯示器上。

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

　　在運作架構上，RF前端的功能在于將從GPS天線(xiàn)接收到的高頻衛星信號轉換為基帶可讀取的中、低頻信號，再利用GPS基帶來(lái)進(jìn)行衛星信號采集(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)不致力于提升其數量，其中高端GPS接收器的相關(guān)器件數量甚至已可達一百萬(wàn)個(gè)，而通道數可達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