gps(global positioning system)是全球定位系統(tǒng)的簡稱，能提供全天候的定位、授時、測速功能。gps已被廣泛應用于航天、航空、航海、運輸、測量、勘探等諸多領域。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手持設備、消費電子產(chǎn)品中。
美國聯(lián)邦通信委員會所制定的e911(enhanced 911)安全條款，規(guī)定在2005年年底之前，所有新推出的手機都須配備簡易的定位功能，以方便救助單位及時找到通話者的位置。日本政府2004年宣布，將gps接收功能列為3g手機的基本規(guī)格，并表示2007年4月后上市的手機，均將配備gps接收功能。盡管現(xiàn)在集成gps功能的手機尚未進入主流市場，但是將來3g手機的中高端機型會普遍集成gps功能。
核心芯片是gps系統(tǒng)的關鍵部分之一，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，芯片技術直接關系到gps產(chǎn)品的技術指標和未來發(fā)展走向。gps未來市場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內(nèi)第一塊gps芯片，2006年中國科學院微電子研究所也成功開發(fā)出了兩款gps基帶soc芯片。但國內(nèi)企業(yè)、研究機構的gps芯片在性能上與國外產(chǎn)品有很大差距，現(xiàn)有的芯片市場基本上還是國外幾大廠商占據(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。本文將詳細介紹sirf和u-blox公司的芯片，闡述gps芯片設計的發(fā)展趨勢。
sirf公司成立于1995年2月，提供gps芯片集以及相應的軟件產(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(shù)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(wèi)星信號，并根據(jù)這些信號求解用戶坐標和速度，其主打市場是無線手持設備、汽車、便攜式計算設備以及一些gps專業(yè)用戶。1996年sirf研制出第一代gps芯片結構，稱為sirfstari architecture ；1999年sirf公司研制出第二代芯片結構sirfstarii；2004年sirf公司推出了第三代芯片結構sirfstariii。這三代體系的共同特征如表1所示。
1997年底，sirf公司在sirfstari結構的基礎上推出了低功耗的sirfstari/lx芯片集(lx的含義是low power extension)，主要用于汽車導航。sirfstari/lx芯片集的快速重捕時間僅僅在0.1s，這對于汽車導航十分重要，因為在城市中，當汽車穿越隧道或者在高樓林立的道路中行駛的時候，衛(wèi)星信號會暫時丟失。根據(jù)統(tǒng)計顯示，當車在高樓林立的街道行駛過程中，衛(wèi)星信號恢復后大約4～5s后很有可能又會丟失，這樣重捕時間越短，在有限時間內(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，所以在樹林等對衛(wèi)星信號有遮擋的地區(qū)也可使用。
1999年sirf公司研制出第二代芯片結構sirfstarii，在此結構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)的處理器運行sirfnav軟件。sirfstarii有1920個并行相關器，提高了捕獲靈敏度，縮短了首次定位時間(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技術用于滿足無線和手持lbs應用的需求，配合相應的軟件，sirfstariii能接收來自2g、2.5g、3g網(wǎng)絡的輔助數(shù)據(jù)，并能在室內(nèi)進行定位。sirfstariii有等效于超過200 000個相關器的硬件結構，從而進一步縮短了首次定位時間。
sirf公司在開發(fā)硬件結構的同時，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模塊的出色導航性能和優(yōu)良品質(zhì)，u-blox在全球gps模塊市場上的占有率是最高的。u-blox公司本身是歐洲gps委員會及伽俐略制定委員會的委員，參與歐洲的整個gps項目及伽俐略產(chǎn)品的標準制定及產(chǎn)品的研發(fā)工作，目前是歐洲最大的gps供應商。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公司設計芯片、ip內(nèi)核及軟硬件架構，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gps行業(yè)電子展會上正式宣布ubx-g5芯片組已經(jīng)開發(fā)完畢，該系列芯片采用了全新設計架構，其性能已經(jīng)接近gps理論
設計的極限(gps的芯片組理論設計極限靈敏度為-162dbm，冷啟動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，但軟硬件的架構完全改變。u-blox g5有以下5個顯著特點。
(1)有等效超過1 000 000個相關器的并行通道，靈敏度由原來的-158dbm提升到不低于-160dbm；
(2)功耗不大于50mw；
(3)同時支持gps及伽利略兩種定位平臺；
(4)冷啟動時間由原來的34s縮短到冷啟動29s，加上agps輔助定位技術，室外冷啟動可在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個通道；
ubx-g5可以應用于手機及pda等移動產(chǎn)品，極大地擴展了移動領域的市場。
u-blox和sirf公司的幾款芯片的性能對比參見表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或其他導航系統(tǒng))、a-gps方向發(fā)展。
其他廠商在開發(fā)gps產(chǎn)品時，應該把目光主要瞄準未來集成gps的各種it設備，如手機、數(shù)碼相機、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公司相競爭的獨立的gps芯片。其次，必須解決高靈敏度、低功耗的問題，應向最先進的u-blox g5芯片看齊，要開發(fā)對于弱信號捕獲和跟蹤的算法和硬件。
2010年前，galileo系統(tǒng)會在全球商用，所以開發(fā)gps/galileo雙模接收機有著更廣闊的前景。在此基礎上，如果能做出gps/galileo/北斗三模gps接收機則將更具競爭力。開發(fā)純軟件gps接收機，通過軟件完成gps芯片的功能，從而進一步降低成本，促使更多的手持便攜設備采用gps功能。
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