GPS和Galileo接收機(jī)的芯片技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1引言

GPS(全球定位系統(tǒng))以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效率等顯著特點(diǎn)及其所獨(dú)具的定位導(dǎo)航、授時(shí)校頻、精密測(cè)量等多方面的強(qiáng)大功能，使其用途越來越廣泛。當(dāng)今，美國的GPS系統(tǒng)、WAAS系統(tǒng)、LAAS系統(tǒng)、覆蓋全球海岸線的DGPS系統(tǒng)、俄羅斯的CLONASS系統(tǒng)、歐盟的Galileo系統(tǒng)和中國的北斗系統(tǒng)都是具有代表性的星基導(dǎo)航系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)經(jīng)過近50年的研究和開發(fā)，已趨于實(shí)用，形成了衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈。目前，衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用已經(jīng)遍及軍事、航海、航空、測(cè)量、交通、勘測(cè)等幾乎一切與位置、速度、時(shí)間有關(guān)的人類活動(dòng)中。在各種全球定位系統(tǒng)不斷發(fā)展的同時(shí)，GPS用戶端設(shè)備也處于不斷升級(jí)和發(fā)展之中。

從接收機(jī)的結(jié)構(gòu)來看，隨著VLSI(超大規(guī)模集成電路)和DSP(數(shù)字信號(hào)處理)技術(shù)的發(fā)展，單通道序貫式、時(shí)分多路復(fù)用式接收機(jī)早已為采用了DSP模塊的并行多通道接收機(jī)所代替，所能達(dá)到的通道數(shù)和等效相關(guān)器數(shù)不斷增加，集成度更高的內(nèi)嵌MPU／MCU的GPS基帶處理器芯片成為主流，將射頻和數(shù)字處理集成在一起的單芯片接收機(jī)產(chǎn)品也已經(jīng)問世。衛(wèi)星定位信號(hào)接收機(jī)的硬件系統(tǒng)主要由天線單元、射頻模塊、基帶處理模塊和電源模塊組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 GPS和Galileo接收機(jī)解決方案

GPS和Galileo接收機(jī)的專用芯片組，均包括射頻和基帶信號(hào)處理芯片，構(gòu)成了GPS接收機(jī)的核心和關(guān)鍵部件。目前，單芯片、低功耗的CPS芯片以及GPS和Galileo的射頻雙模芯片均已問世，而且高速、小面積、低功耗等要求也是將來的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。目前國際上具有代表性的生產(chǎn)GPS接收機(jī)專用芯片公司有：SiRF，ATMEL，Nemerix，u-Nav，STMicroelectronics，Sony，GlobalLocate等。有些廠商提供完整的硬件解決方案，有些廠商提供包括配套軟件在內(nèi)的完整的GPS接收機(jī)或系統(tǒng)解決方案，有些廠商只提供單獨(dú)的射頻或基帶處理芯片。還有一些廠商提供單芯片的GPS接收機(jī)解決方案。

目前，在進(jìn)行構(gòu)建一個(gè)GPS接收機(jī)時(shí)有3種方案可供選擇，包括：三片式、兩片式、單片式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。目前，主流的設(shè)計(jì)方案仍然是兩片式結(jié)構(gòu)，即射頻+基帶處理器，單片式結(jié)構(gòu)是發(fā)展的必然趨勢(shì)和研究的熱點(diǎn)。

2.1 三片式結(jié)構(gòu)的接收機(jī)設(shè)計(jì)

采用三片式結(jié)構(gòu)的接收機(jī)設(shè)計(jì)，主要由LNA低噪聲放大器、射頻前端下變頻器、基帶處理器構(gòu)成。具有代表性的設(shè)計(jì)為ATMEL公司的解決方案：低噪聲放大器A-TR0610，射頻下變頻器ATR0601，基帶處理器ATR0625。

該方案設(shè)計(jì)采用了ANTARIS 4平臺(tái)ATR0625基帶處理器，在只讀存儲(chǔ)器(ROM)中內(nèi)置配備SuperSense全球定位系統(tǒng)弱信號(hào)跟蹤軟件的基帶處理器。ATR0625與以4 mm×4 mm方形扁平無引線封裝且高度整合的低功耗ATR0601共同實(shí)現(xiàn)無縫運(yùn)行。得到了WAAS／EGNOS的全面支持，并整合了低達(dá)4 s的首次定位時(shí)間(TTFF)和先進(jìn)的輔助全球定位系統(tǒng)(A-GPS)。

其他的LNA還有Maxim的MAX2641／2654／2655，umPC8211TK等。這種方案設(shè)計(jì)GPS接收機(jī)硬件電路復(fù)雜、尤其是前端射頻電路的PCB設(shè)計(jì)和調(diào)試比較困難。目前，很少采用這種方案來設(shè)計(jì)。

2.2 兩片式結(jié)構(gòu)的接收機(jī)設(shè)計(jì)

采用兩片式結(jié)構(gòu)的接收機(jī)設(shè)計(jì)，主要由射頻前端、基帶處理器構(gòu)成。目前，大多數(shù)的廠商GPS芯片組都支持該設(shè)計(jì)方案。而且，也是主流的設(shè)計(jì)方案。具有代表性的設(shè)計(jì)，如表1所示。

2.3 單片式接收機(jī)設(shè)計(jì)

伴隨著集成電路的迅速發(fā)展以及用戶的要求，目前，GPS接收機(jī)正朝著小面積、低功耗的方向發(fā)展，很多GPS芯片廠商也推出了單片式的GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)解決方案，具有代表性的如表2所示。

3 輔助GPS接收機(jī)(A-GPS)設(shè)計(jì)

A-GPS是GPS系統(tǒng)借助于無線通信網(wǎng)絡(luò)(比如GSM，UMTS，CDMA等)對(duì)移動(dòng)站進(jìn)行定位的技術(shù)，它通過A-GPS終端和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供的GPS輔助定位信息共同獲取移動(dòng)用戶的位置信息。

A-GPS芯片的供應(yīng)商有20多家，主要都來自美國和西歐。在基于CDMA網(wǎng)絡(luò)的A-GPS芯片市場(chǎng)上，美國高通公司的gpsOne技術(shù)占主導(dǎo)地位；在基于GSM網(wǎng)絡(luò)的芯片市場(chǎng)上SiRF，NemeriX和G1obal Locate等多個(gè)廠商處于領(lǐng)先地位。具有代表性的如表3所示。

4 部分GPS廠商芯片組比較

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)GPS接收機(jī)芯片的廠商也越來越多，但各個(gè)廠商的芯片組都具有自己的特點(diǎn)和獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)如下：

1) 美國SiRF Technologies公司的SiRF芯片組。這是世界上最大的GPS芯片廠家。積累多年經(jīng)驗(yàn)，已開發(fā)出三代GPS芯片產(chǎn)品。其中，最新的第三代產(chǎn)品SiRFs-tarIII在小型化、降低功耗和便攜性方面有了長足的進(jìn)步，特別足在接收敏感度方面最好，達(dá)到-159 dBm。

2) 瑞士Nemerix公司的芯片組。特點(diǎn)是特別省電，價(jià)格低廉。其功耗低至10 mW，廠家自稱“全球最低功耗的GPS芯片組”，同時(shí)其低噪放大器噪聲也只有1.6 dB，號(hào)稱“超低噪聲GPS接收器”。

3) 美國RF Micro Devices公司的RF8900芯片組。特點(diǎn)是高度集成，把藍(lán)牙通信和GPS接收功能集成到一個(gè)芯片組里面。這個(gè)集成的芯片組，有利于接收器廠家制造功能強(qiáng)而體積小巧的藍(lán)牙接收器。

5 Nemerix公司兩片式接收機(jī)完整設(shè)計(jì)

如圖2所示，NJ1006A是一個(gè)高集成度的單片GPS接收機(jī)射頻前端IC，可滿足價(jià)格敏感的便攜式產(chǎn)品和汽車應(yīng)用。NJ1006A集成了LNA和本機(jī)振蕩器的諧振回路，減少了外部元器件數(shù)量和PCB的面積，采用雙超外差結(jié)構(gòu)接收GPS L1頻帶信號(hào)。片上的LNA允許連接無源的或者有源的天線到NJ1006A，具有靈活結(jié)構(gòu)的PLL和晶體振蕩器，基準(zhǔn)頻率16.368 MHz。天線檢測(cè)器和開關(guān)支持系統(tǒng)在汽車等需要有源天線的應(yīng)用。天線檢測(cè)器也可以檢測(cè)有源天線開路或者短路，限制所提供的電流，保護(hù)天線和接收機(jī)。

射頻模塊NJ1006A適合與很多基帶處理器進(jìn)行接口，但考慮到整個(gè)系統(tǒng)的功耗和芯片的一致性，在設(shè)計(jì)中，選用Nemerix公司NJ1030A處理器與之進(jìn)行接口，它還支持WAAS／EGNOS，3GPPTS44.035-TIA-IS801。NJ1030A芯片上組合了NP1016 GPS相關(guān)器內(nèi)核、32 bit RISC的CPU內(nèi)核、片上存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備接口等功能模塊。本方案功耗僅為25 mW。若把基帶處理器更換為NJ2020，則可構(gòu)成A-GPS接收機(jī)。

使用集成組件構(gòu)建衛(wèi)星信號(hào)接收端簡捷、明了，但射頻電路在PCB制板時(shí)，布局、布線不合理，往往會(huì)因噪聲干擾嚴(yán)重引起衛(wèi)星定位授時(shí)同步數(shù)據(jù)或信號(hào)的波動(dòng)，造成過大偏差。因此在進(jìn)行射頻電路PCB設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮如何減小射頻電路中各部分之間的相互干擾、如何減小電路本身對(duì)其他電路的干擾以及電路本身的抗干擾能力。

6 軟件接收機(jī)設(shè)計(jì)方案

為了便于研究開發(fā)新一代衛(wèi)星定位接收機(jī)，開發(fā)和驗(yàn)證GPS信號(hào)處理的算法，將傳統(tǒng)接收機(jī)中用數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理功能改用軟件來實(shí)現(xiàn)的軟件接收機(jī)得到了廣泛關(guān)注，這種設(shè)計(jì)給信號(hào)處理算法的使用帶來了極大的靈活性。軟件GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)大致有兩種方案：一種是基于通用可編程處理器的接收機(jī)設(shè)計(jì)；另一種就是基于PC機(jī)的軟件GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)。

6.1 基于通用可編程處理器的軟件接收機(jī)設(shè)計(jì)

主要由射頻前端模塊，F(xiàn)PGA，DSP／ARM等處理芯片構(gòu)成。硬件框圖如圖3所示。

射頻芯片用來接收射頻信號(hào)，完成信號(hào)的采集和2 bit數(shù)字信號(hào)的輸出。在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)相關(guān)器電路完成對(duì)速度要求較高的處理，用DSP或ARM處理器來完成對(duì)速度要求不高的運(yùn)算處理功能。這種設(shè)計(jì)在Galileo接收機(jī)的設(shè)計(jì)上也得到了應(yīng)用。而且，目前隨著集成電路工藝的發(fā)展，整個(gè)芯片都在朝著高速、小面積、低功耗的方向來發(fā)展。一個(gè)采用SoC技術(shù)的單片式GPS接收機(jī)，尺寸為23 mm2，0.18μm CMOS，功耗為28 mW。另外，目前在一個(gè)芯片上集成多種應(yīng)用的GPS接收機(jī)也是一種趨勢(shì)，如集成了CDMA通信、藍(lán)牙、MP3、數(shù)碼相機(jī)、DVB-H接收、FM廣播接收等功能的芯片設(shè)計(jì)。采用這種方法的特點(diǎn)是：靈活，在不改變硬件的基礎(chǔ)上，可以重新配置和升級(jí)軟件，嵌入自己的優(yōu)化算法。這也是GPS接收機(jī)國產(chǎn)化的必由之路。

6.2 基于PC機(jī)的軟件GPS軟件接收機(jī)設(shè)計(jì)

接收機(jī)主要由GPS天線、信號(hào)變換／數(shù)字采樣單元和PC機(jī)構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在這種設(shè)計(jì)中，經(jīng)射頻采樣的數(shù)字中頻數(shù)據(jù)，通過總線送給PC機(jī)，它們之間常用USB，PCI等接口與PC機(jī)相連。PC機(jī)執(zhí)行所有的GPS接收機(jī)內(nèi)部核心軟件，包括基帶軟件、導(dǎo)航解算軟件、NMEA0183數(shù)據(jù)生成軟件等。典型設(shè)計(jì)有MAX2741+LifeVibes Spot V2軟件的GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)需付給Philips軟件使用版權(quán)費(fèi)，按片收取。不過，在掌握了相關(guān)器以及基帶處理算法之后，可以自行設(shè)計(jì)PC機(jī)軟件。這種軟件接收機(jī)的特點(diǎn)是：靈活易更新，無附加硬件成本，但存在實(shí)時(shí)性問題。

7 小結(jié)

隨著微電子技術(shù)和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，GPS芯片組研究以及接收機(jī)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)將包括：單芯片接收機(jī)設(shè)計(jì)，能夠兼容各種星基導(dǎo)航系統(tǒng)的接收機(jī)，高靈敏度室內(nèi)定位，與移動(dòng)通信和手持設(shè)備的集成、抗干擾、完好性、高動(dòng)態(tài)、低功耗、小尺寸、低成本以及多種應(yīng)用等。伴隨著GPS接收機(jī)芯片組技術(shù)和各種星基導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，GPS接收機(jī)的功能將更強(qiáng)大，性能更完善，為人們提供更為廣泛的應(yīng)用。