GPS和Galileo接收機的芯片技術與系統(tǒng)設計
GPS(全球定位系統(tǒng))以全天候、高精度、自動化、高效率等顯著特點及其所獨具的定位導航、授時校頻、精密測量等多方面的強大功能，使其用途越來越廣泛。當今，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)，已趨于實用，形成了衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)鏈。目前，衛(wèi)星導航的應用已經(jīng)遍及軍事、航海、航空、測量、交通、勘測等幾乎一切與位置、速度、時間有關的人類活動中。在各種全球定位系統(tǒng)不斷發(fā)展的同時，GPS用戶端設備也處于不斷升級和發(fā)展之中。
從接收機的結(jié)構(gòu)來看，隨著VLSI(超大規(guī)模集成電路)和DSP(數(shù)字信號處理)技術的發(fā)展，單通道序貫式、時分多路復用式接收機早已為采用了DSP模塊的并行多通道接收機所代替，所能達到的通道數(shù)和等效相關器數(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產(chǎn)品也已經(jīng)問世。衛(wèi)星定位信號接收機的硬件系統(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接收機解決方案
GPS和Galileo接收機的專用芯片組，均包括射頻和基帶信號處理芯片，構(gòu)成了GPS接收機的核心和關鍵部件。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計趨勢。目前國際上具有代表性的生產(chǎn)GPS接收機專用芯片公司有：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接收機或系統(tǒng)解決方案，有些廠商只提供單獨的射頻或基帶處理芯片。還有一些廠商提供單芯片的GPS接收機解決方案。
目前，在進行構(gòu)建一個GPS接收機時有3種方案可供選擇，包括：三片式、兩片式、單片式結(jié)構(gòu)設計方案。目前，主流的設計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)展的必然趨勢和研究的熱點。
2.1 三片式結(jié)構(gòu)的接收機設計
采用三片式結(jié)構(gòu)的接收機設計，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。具有代表性的設計為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。
該方案設計采用了ANTARIS 4平臺ATR0625基帶處理器，在只讀存儲器(ROM)中內(nèi)置配備SuperSense全球定位系統(tǒng)弱信號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共同實現(xiàn)無縫運行。得到了WAAS／EGNOS的全面支持，并整合了低達4 s的首次定位時間(TTFF)和先進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。這種方案設計GPS接收機硬件電路復雜、尤其是前端射頻電路的PCB設計和調(diào)試比較困難。目前，很少采用這種方案來設計。
2.2 兩片式結(jié)構(gòu)的接收機設計
采用兩片式結(jié)構(gòu)的接收機設計，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芯片組都支持該設計方案。而且，也是主流的設計方案。具有代表性的設計，如表1所示。
2.3 單片式接收機設計
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接收機設計解決方案，具有代表性的如表2所示。
3 輔助GPS接收機(A-GPS)設計
A-GPS是GPS系統(tǒng)借助于無線通信網(wǎng)絡(比如GSM，UMTS，CDMA等)對移動站進行定位的技術，它通過A-GPS終端和移動通信網(wǎng)絡提供的GPS輔助定位信息共同獲取移動用戶的位置信息。
A-GPS芯片的供應商有20多家，主要都來自美國和西歐。在基于CDMA網(wǎng)絡的A-GPS芯片市場上，美國高通公司的gpsOne技術占主導地位；在基于GSM網(wǎng)絡的芯片市場上SiRF，NemeriX和G1obal Locate等多個廠商處于領先地位。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)星導航產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)GPS接收機芯片的廠商也越來越多，但各個廠商的芯片組都具有自己的特點和獨特的優(yōu)勢，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，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步，特別足在接收敏感度方面最好，達到-159 dBm。
2) 瑞士Nemerix公司的芯片組。特點是特別省電，價格低廉。其功耗低至10 mW，廠家自稱“全球最低功耗的GPS芯片組”，同時其低噪放大器噪聲也只有1.6 dB，號稱“超低噪聲GPS接收器”。
3) 美國RF Micro Devices公司的RF8900芯片組。特點是高度集成，把藍牙通信和GPS接收功能集成到一個芯片組里面。這個集成的芯片組，有利于接收器廠家制造功能強而體積小巧的藍牙接收器。
5 Nemerix公司兩片式接收機完整設計
如圖2所示，NJ1006A是一個高集成度的單片GPS接收機射頻前端IC，可滿足價格敏感的便攜式產(chǎn)品和汽車應用。NJ1006A集成了LNA和本機振蕩器的諧振回路，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。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，基準頻率16.368 MHz。天線檢測器和開關支持系統(tǒng)在汽車等需要有源天線的應用。天線檢測器也可以檢測有源天線開路或者短路，限制所提供的電流，保護天線和接收機。
射頻模塊NJ1006A適合與很多基帶處理器進行接口，但考慮到整個系統(tǒng)的功耗和芯片的一致性，在設計中，選用Nemerix公司NJ1030A處理器與之進行接口，它還支持WAAS／EGNOS，3GPPTS44.035-TIA-IS801。NJ1030A芯片上組合了NP1016 GPS相關器內(nèi)核、32 bit RISC的CPU內(nèi)核、片上存儲器、外圍設備接口等功能模塊。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。
使用集成組件構(gòu)建衛(wèi)星信號接收端簡捷、明了，但射頻電路在PCB制板時，布局、布線不合理，往往會因噪聲干擾嚴重引起衛(wèi)星定位授時同步數(shù)據(jù)或信號的波動，造成過大偏差。因此在進行射頻電路PCB設計時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 軟件接收機設計方案
為了便于研究開發(fā)新一代衛(wèi)星定位接收機，開發(fā)和驗證GPS信號處理的算法，將傳統(tǒng)接收機中用數(shù)字器件實現(xiàn)的信號處理功能改用軟件來實現(xiàn)的軟件接收機得到了廣泛關注，這種設計給信號處理算法的使用帶來了極大的靈活性。軟件GPS接收機設計大致有兩種方案：一種是基于通用可編程處理器的接收機設計；另一種就是基于PC機的軟件GPS接收機設計。
6.1 基于通用可編程處理器的軟件接收機設計
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，完成信號的采集和2 bit數(shù)字信號的輸出。在FPGA內(nèi)部設計相關器電路完成對速度要求較高的處理，用DSP或ARM處理器來完成對速度要求不高的運算處理功能。這種設計在Galileo接收機的設計上也得到了應用。而且，目前隨著集成電路工藝的發(fā)展，整個芯片都在朝著高速、小面積、低功耗的方向來發(fā)展。一個采用SoC技術的單片式GPS接收機，尺寸為23 mm2，0.18μm CMOS，功耗為28 mW。另外，目前在一個芯片上集成多種應用的GPS接收機也是一種趨勢，如集成了CDMA通信、藍牙、MP3、數(shù)碼相機、DVB-H接收、FM廣播接收等功能的芯片設計。采用這種方法的特點是：靈活，在不改變硬件的基礎上，可以重新配置和升級軟件，嵌入自己的優(yōu)化算法。這也是GPS接收機國產(chǎn)化的必由之路。
6.2 基于PC機的軟件GPS軟件接收機設計
接收機主要由GPS天線、信號變換／數(shù)字采樣單元和PC機構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。
在這種設計中，經(jīng)射頻采樣的數(shù)字中頻數(shù)據(jù)，通過總線送給PC機，它們之間常用USB，PCI等接口與PC機相連。PC機執(zhí)行所有的GPS接收機內(nèi)部核心軟件，包括基帶軟件、導航解算軟件、NMEA0183數(shù)據(jù)生成軟件等。典型設計有MAX2741+LifeVibes Spot V2軟件的GPS接收機設計生產(chǎn)時需付給Philips軟件使用版權(quán)費，按片收取。不過，在掌握了相關器以及基帶處理算法之后，可以自行設計PC機軟件。這種軟件接收機的特點是：靈活易更新，無附加硬件成本，但存在實時性問題。
7 小結(jié)
隨著微電子技術和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，GPS芯片組研究以及接收機設計的熱點將包括：單芯片接收機設計，能夠兼容各種星基導航系統(tǒng)的接收機，高靈敏度室內(nèi)定位，與移動通信和手持設備的集成、抗干擾、完好性、高動態(tài)、低功耗、小尺寸、低成本以及多種應用等。伴隨著GPS接收機芯片組技術和各種星基導航系統(tǒng)的發(fā)展，GPS接收機的功能將更強大，性能更完善，為人們提供更為廣泛的應用。
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