世界主流GPS芯片介紹

GPS(Global Positioning System)是全球定位系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，能提供全天候的定位、授時(shí)、測(cè)速功能。GPS已被廣泛應(yīng)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)開始更多地嵌入到移動(dòng)手持設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品中。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)所制定的E911(Enhanced 911)安全條款，規(guī)定在2005年年底之前，所有新推出的手機(jī)都須配備簡(jiǎn)易的定位功能，以方便救助單位及時(shí)找到通話者的位置。日本政府2004年宣布，將GPS接收功能列為3G手機(jī)的基本規(guī)格，并表示2007年4月后上市的手機(jī)，均將配備GPS接收功能。盡管現(xiàn)在集成GPS功能的手機(jī)尚未進(jìn)入主流市場(chǎng)，但是將來3G手機(jī)的中高端機(jī)型會(huì)普遍集成GPS功能。

核心芯片是GPS系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一，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)和未來發(fā)展走向。GPS未來市場(chǎng)容量的巨大吸引力使得芯片產(chǎn)業(yè)得以快速發(fā)展，目前已有十余家廠商推出了GPS芯片。2005年7月，西安華迅公司推出了國(guó)內(nèi)第一塊GPS芯片，2006年中國(guó)科學(xué)院微電子研究所也成功開發(fā)出了兩款GPS基帶SoC芯片。但國(guó)內(nèi)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)的GPS芯片在性能上與國(guó)外產(chǎn)品有很大差距，現(xiàn)有的芯片市場(chǎng)基本上還是國(guó)外幾大廠商占據(jù)，這其中影響較大的有SiRF、Garmin、u-blox、摩托羅拉、索尼、富士通、NXP、Nemerix、uNav等廠商，SiRF、u-blox尤其引人注目。本文將詳細(xì)介紹SiRF和u-blox公司的芯片，闡述GPS芯片設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

SiRF公司成立于1995年2月，提供GPS芯片集以及相應(yīng)的軟件產(chǎn)品，其產(chǎn)量占全球GPS芯片出貨量的70%。SiRF公司的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)是無線手持設(shè)備、汽車、便攜式計(jì)算設(shè)備以及一些GPS專業(yè)用戶。1996年SiRF研制出第一代GPS芯片結(jié)構(gòu)，稱為SiRFstarI architecture ；1999年SiRF公司研制出第二代芯片結(jié)構(gòu)SiRFstarII；2004年SiRF公司推出了第三代芯片結(jié)構(gòu)SiRFstarIII。這三代體系的共同特征如表1所示。

1997年底，SiRF公司在SiRFstarI結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上推出了低功耗的SiRFstarI/LX芯片集(LX的含義是low power extension)，主要用于汽車導(dǎo)航。SiRFstarI/LX芯片集的快速重捕時(shí)間僅僅在0.1s，這對(duì)于汽車導(dǎo)航十分重要，因?yàn)樵诔鞘兄?，?dāng)汽車穿越隧道或者在高樓林立的道路中行駛的時(shí)候，衛(wèi)星信號(hào)會(huì)暫時(shí)丟失。根據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，當(dāng)車在高樓林立的街道行駛過程中，衛(wèi)星信號(hào)恢復(fù)后大約4～5s后很有可能又會(huì)丟失，這樣重捕時(shí)間越短，在有限時(shí)間內(nèi)給出的定位數(shù)據(jù)就越多。SiRFstarI/LX芯片集可跟蹤最低到-180dBw的衛(wèi)星信號(hào)，所以在樹林等對(duì)衛(wèi)星信號(hào)有遮擋的地區(qū)也可使用。

1999年SiRF公司研制出第二代芯片結(jié)構(gòu)SiRFstarII，在此結(jié)構(gòu)上推出了首款芯片產(chǎn)品SiRFstarIIe，2002年推出了SiRFstarIIe/LP和SiRFstarIIt芯片產(chǎn)品。SiRFstarIIe/LP是SiRFstarIIe低功耗版，SiRFstarIIe/LP的最大電流只有60mA，在TricklePower模式下電流只有20mA。SiRFstarIIt為在某些有處理器的系統(tǒng)上集成GPS功能提供了嵌入式解決方案，SiRFstarIIt需要分享系統(tǒng)的處理器和內(nèi)存才可以使用，由系統(tǒng)的處理器運(yùn)行SiRFNav軟件。SiRFstarII有1920個(gè)并行相關(guān)器，提高了捕獲靈敏度，縮短了首次定位時(shí)間(TTFF)，冷啟靈敏度為-142dBm。

2004年2月，SiRF公司推出了第三代芯片架構(gòu)SiRFstarIII。2005年2月，SiRF推出基于SiRFstarIII的產(chǎn)品GSC3f和GSC3，其中前者包含一塊閃存。2006年11月，SiRF推出90nm的基于SiRFstarIII的產(chǎn)品GSC3LT和GSC3Lti，其中后者包含一塊閃存。SiRFstarIII技術(shù)用于滿足無線和手持LBS應(yīng)用的需求，配合相應(yīng)的軟件，SiRFstarIII能接收來自2G、2.5G、3G網(wǎng)絡(luò)的輔助數(shù)據(jù)，并能在室內(nèi)進(jìn)行定位。SiRFstarIII有等效于超過200 000個(gè)相關(guān)器的硬件結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步縮短了首次定位時(shí)間。

SiRF公司在開發(fā)硬件結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還開發(fā)了一系列軟件，使得其產(chǎn)品容易集成到不同的系統(tǒng)中。這些軟件包括SiRFLoc、SiRFXTrac、SiRFDRive和SiRFNav。這些軟件的功能描述如表2所示。

成立于1997年的瑞士u-blox公司是知名的GPS系統(tǒng)專業(yè)制造公司，憑借其GPS模塊的出色導(dǎo)航性能和優(yōu)良品質(zhì)，u-blox在全球GPS模塊市場(chǎng)上的占有率是最高的。u-blox公司本身是歐洲GPS委員會(huì)及伽俐略制定委員會(huì)的委員，參與歐洲的整個(gè)GPS項(xiàng)目及伽俐略產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)制定及產(chǎn)品的研發(fā)工作，目前是歐洲最大的GPS供應(yīng)商。u-blox公司最初采用SiRF公司的GPS芯片來生產(chǎn)模塊，使用過SiRFstarI/LX和SiRFstarIIe芯片集。從第三代產(chǎn)品開始，u-blox開始使用自己的芯片。u-blox第三代及第四代的芯片由u-blox公司設(shè)計(jì)芯片、IP內(nèi)核及軟硬件架構(gòu)，由ATMEL公司代工生產(chǎn)芯片組。但從第五代UBX-G5及以后的GPS芯片組，不再由ATMEL公司代工生產(chǎn)。

u-blox公司于2006年9月25日在美國(guó)GPS行業(yè)電子展會(huì)上正式宣布UBX-G5芯片組已經(jīng)開發(fā)完畢，該系列芯片采用了全新設(shè)計(jì)架構(gòu)，其性能已經(jīng)接近GPS理論設(shè)計(jì)的極限(GPS的芯片組理論設(shè)計(jì)極限靈敏度為-162dbm，冷啟動(dòng)27s)。u-blox G5不同于以往的u-blox的GPS系列芯片，仍然采用與第四代產(chǎn)品相同的封裝，但軟硬件的架構(gòu)完全改變。u-blox G5有以下5個(gè)顯著特點(diǎn)。

(1)有等效超過1 000 000個(gè)相關(guān)器的并行通道，靈敏度由原來的-158dbm提升到不低于-160dbm；

(2)功耗不大于50mw；

(3)同時(shí)支持GPS及伽利略兩種定位平臺(tái)；

(4)冷啟動(dòng)時(shí)間由原來的34s縮短到冷啟動(dòng)29s，加上AGPS輔助定位技術(shù)，室外冷啟動(dòng)可在1s之內(nèi)；

(5)GPS通道數(shù)目由第四代的16通道增加至第五代50個(gè)通道；

UBX-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)展了移動(dòng)領(lǐng)域的市場(chǎng)。

u-blox和SiRF公司的幾款芯片的性能對(duì)比參見表3。

通過上述GPS芯片廠商的產(chǎn)品發(fā)展史，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。

其他廠商在開發(fā)GPS產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)該把目光主要瞄準(zhǔn)未來集成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，不要去開發(fā)與SiRF和u-blox公司相競(jìng)爭(zhēng)的獨(dú)立的GPS芯片。其次，必須解決高靈敏度、低功耗的問題，應(yīng)向最先進(jìn)的u-blox G5芯片看齊，要開發(fā)對(duì)于弱信號(hào)捕獲和跟蹤的算法和硬件。

2010年前，Galileo系統(tǒng)會(huì)在全球商用，所以開發(fā)GPS/Galileo雙模接收機(jī)有著更廣闊的前景。在此基礎(chǔ)上，如果能做出GPS/Galileo/北斗三模GPS接收機(jī)則將更具競(jìng)爭(zhēng)力。開發(fā)純軟件GPS接收機(jī)，通過軟件完成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。