新型GPS技术方案与芯片及其应用

        GPS是全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)的英文缩写，GPS利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统.能提供个人候的定位、授时、测速功能。        GPS已被广泛／业用于航天、航空、航海、运输、测量、勘探等诸多领域。随着数字大规模集成电路的发展和定位功能需求，GPS已经开始更多地嵌入到移动手持设备、消费电子产品中。为此本文将对新型GPS技术方案与芯片及其应用作分析说明。首先应了解GPS的构成及特点。        1、GPS的基本架构及特点        GPS是一种精密的卫星导航系统。该系统由24颗绕地球旋转的卫星组成，卫星连续不断地发送位置和时间信息。这些卫星均匀地分布在6个轨道上，每个轨道有4 颗卫星。地面GPS接收机可接收5到12颗卫星信号。为实现地面定位功能，GPS接收机至少需要接收4个卫星信号，其中3个信号用来计算GPS接收机的纬度、经度和海拔高度，第四个信号提供同步时间校准。        GPS系统主要分为三个部分：其一、卫星，在天上提供定位信息；其二、控制系统，在地面维护卫星的正常运转，保证卫星的健康状态；其三、接收机，一般用户所使用的部分。其定位原理是将地球分为12个横切面，每个横切面上有两颗定位卫星，互成180度的夹角，因而站在地球上的任一点，头顶上总有十二颗定位卫星。卫星与卫星之间的距离、坐标和角度是已知的，卫星和人之间的距离是可测量的，根据几何原理，通常接收机只要接到三颗卫星的信息便可确定二维坐标即经纬度，接收到四颗卫星的信息便可确定海拔高度。        目前卫星（多达27颗）网络运行于非同步、近地轨道并覆盖全球，保证了定位系统的运行。而GPS接收机至少需要锁定4颗星，才能提供定位信息。这些卫星广播或发送的长系列码（或数字组合）称伪随机码。GPS接收机可通过已知的卫星伪随机码、光速以及保持卫星位置的查询表等参数，就能够计算出卫星的传输时间，再将传输时间转为距离。在多个卫星(大于4)的条件下，通过求解三角方程就可以算出GPS接收机的位置，也提供了用户的位置。        而GPS芯片是由一块射频集成电路、一块数字信号处理电路和标准嵌入式GPS软件构成。射频集成电路用于检测和处理GPS射频信号，数字信号处理电路用于处理中频信号，标准嵌入式GPS软件用于搜索和跟踪GPS卫星信号，并根据这些信号求解用户坐标和速度，其主打市场是无线于持设备、汽车、便携式汁算设备以及一些CPS专业用户。其图1所示是以手持式GPS系统芯片结构示意框图。                                               图1        2、传统的GPS与新技术GPS方案的优势        到目前为止，传统GPS，如移动设备中所采用的全球定位技术都存在价格高、功耗大、尺寸大等问题。因此开发纯软件GPS接收机，通过软件完成GPS芯片的功能，从而进一步降低成本，促使更多的手持便携设备采用GPS功能是针对市场对下一代技术的主要需求。        2.1新技术GPS方案的优势 在于它与其它基于硬件的多芯片方案相比，大大降低了系统成本、功耗和尺寸。该软件方案可工作在自动和辅助两种GPS模式，在每一秒钟为系统(如汽车跟踪)提供方位信息。也可以对算法进行调整，使其符合步行或室内应用的要求，为蜂窝电话、PDA、数码相机、MP3播放器、膝上型电脑、便携式DVD播放器等移动产品提供最优的GPS设计。        2.2新技术GPS方案的术特征        是将专有的RF IC设计技术与新的软件GPS技术相结合，开发出了完全符合移动和便携产品苛刻要求的解决方案，例如Maxim的RF IC设计技术与Philips创新的软件GPS技术相结合优武就是典型代表。为此可从以下二点具体说明。        a 关于初始设计。基于该新技术GPS方案的第一款是针对膝上型电脑USB附件而优化的参考设计。该设计启用了低成本／高性能的GPS add-ons。其最简单的形式可以是一个GPS条，将膝上型电脑转化成一个大屏幕导航装置。另一种应用是USB GPS附件，用于连接具备USB OTG的智能电话。此外，这一小尺寸、低功耗设计可以与其它设备，如：USB存储器驱动器或USB MP3相结合，在这些设备中实现GPS功能。        b 硬件/软件的融合。整个参考设计基于GPS接收器前端,如基于Maxim的MAX2741 GPS接收器前端，其MAX2741内置LNA、自适应AGC和VCO。此外，MAX2741集成了一个1、2或3位ADC，用于支持2MHz至26MHz的参考频率，采用2.7V至3.0V电源供电。而软件(如Philips的Spot软件)是用ANSI C编写的600Kb程序代码，能够装载并运行在各种标准处理器上，例如：ARM、Intel Xscale或TI-OMAP。软件获取GPS前端接收器输出和卫星定位信息，然后下载卫星星历，利用新技术进行信号处理，提取卫星信号，产生有效的定位信息。        3、例举新技术GPS方案的应用        3.1应用信息娱乐系统中现有的应用处理器完成GPS／Galileo功能        独特的基于软件的GPS方案，无需改动的硬件即可完成GPS／GalileoGa升级。与全球定位系统(GPS)类似，Galileo是欧洲太空总署正在开发的欧洲导航系统Galileo。预计在几年之内完全运转起来。向GPS卫星系统中加入Galileo导航系统，与仅仅具有GPS的系统相比，将会使性能得到极大地改善。由于汽车市场具有较长的设计周期，当今制造商们正在为这项新技术的应用做积极的准备。GPS／Galileo(GNSS)技术利用系统主处理器来执行所需的GNSS定位计算，无需价格昂贵而又庞大的基带IC。因此将GNSS的整个硬件物料清单缩减为只需RF前端电路。这项新的技术所提供的性能与传统的硬件连线多芯片GPS方案相当，但成本却是当前业界最低的，尺寸也最为纤小。该GNSS方案可为信息娱乐系统提供无与伦比的灵活性。软件提供单机模式和援助模式，并可为满足您的汽车导航需求而进行优化。图2为传统的GPS方案与新型基于软件GPS方案比较示意框图。                                       图2        3.2将UMPC或膝上型电脑变为一个功能完备的GPS导航系统        独特的软件GPS，成本和尺寸削减50％。全球定位系统(GPS)技术利用系统主处理器来执行所需的GPS计算，无需价格昂贵而又庞大的GPS基带IC。此外，高度集成和极为灵活的RFIC(如MAX274l)，可以最大程度的再利用其它系统资源，例如参考时钟。并且，这种基于软件的GPS只需要元件数较少的BOM表，进一步削减了GPS方案的尺寸和成本。GPS方案提供无与伦比的灵活性，可拓宽超级移动PC(UMPC)、膝上型电脑、PDA和智能电话中基于位置的应用功能。提供独立及辅助GPS模式和不同大小的软件，并可针对不同的应用进行优化，例如汽车导航、个人导航或单点位置校正应用。其示意图与图2相同。        4、核心芯片是GPS系统的关键部分之—        核心芯片的优劣在很大程度上决定了不同GPS产品的性能差异，芯片技术直接关系到GPS产品的技术指标和未来发展走向。        GPS芯片由一块射频集成电路、一块数字信号处理电路和标准嵌入式GPS软件构成.射频集成电路用于检测和处理GPS射频信号，数字信号处理电路用于处理中频信号，标准嵌入式GPS软件用于搜索和跟踪GPS卫星信号，并根据这些信号求解用户坐标和速度，其主打市场是无线于持设备、汽车、便携式汁算设备以及一些CPS专业用户。        这可以由嵌入式CPS导航系统的核心技术来看，以三星ARM9系列中的16／32位RISC处理器S3C2410A芯片为例，该芯片强大的实时处理能力和丰富的外围接门非常适合嵌入式系统的开发。而该系统就是基于该芯片的这些特点而设计的。该系统以SC2410A微处理器为核心，与2片32M的SDRAM(HY57V561620CT)和64M的NANDFlash(K9F1208UOB)整合为最小的一套系统；另外，就是在系统外部加装可用于收GPS信号的GPS模块，用于显示的液晶面板，以及LJDAl341TS的语音芯片系统。        而ST公司提供完整的GPS解决方案，包括GPS基带控制器以及RF接收器。ST的STA2051采用ARM7TDMI内核，增加了一个专用APB和12通道的GPS相关器,内部B256K+16K的FLASH存储器和6K的SRAM，以及标准STR710的所有外设资源。ST配合STA2051发布基于ST专有嵌入式操作系统OS的完整的软件运行库实现，实现GPS完整解决方案同时可提供开放的ARM和外设资源给用户，在功耗和成本上更具优势。        STA2051产品家族包括TQFP64的汽车级的STA201和消费级的STA2051GO，以及TQFPl44的更多I／O资源的STA2051E。        STA2051主要特性：0.18um工艺，3.3V单电源工作，低功耗；ARM 7TDMI，32位RISC引擎，Debug接口，JTAG；内嵌256k字节+16k字节FLASH，64k字节SRAM；EMI(External Memory Interface)扩展存储器接口(仅TQFPl44)，分为4区，最大可扩展至64M字节；12通道GPS硬件相关器(STMicroelectronics IP)；独立的RTC(Real-Time-Clock)带唤醒功能；CAN控制器(CAN Protocol rev．2.0partA and B)高达1 Mbit／s；四路16-位多功能定时器(捕捉,比较，计数，PWM)；四路UARTS，双SPI，双I2C和USB(仅144 PIN)等串口通信;智能卡(1S0 7816-3 incl．Clock generation)；看门狗及唤醒控制(RTC或外部触发)；HDLC控制(incl．NRZI，FM0 and Manchester encoder)；4通道12位ADC变换器(Sigma-Delta)；片上电压稳压器为CPU及核心逻辑；工作温度：-40℃～+85℃。        50通道LEA-5 GPS模組，可提供超越现有水平的速度、灵敏度及整合方便性。        LEA-5GPS模块系列拥有GPS市场最快的首次定位时间。这些单机多用途的GPS接收器采用u-blox 5 GPS与GALILEO芯片，不仅具有丰富功能和弹性连结能力，应用整合也很方便，使体积与成本都受严格限制的汽车电子、消费和工业等各种应用能够迅速上市。        u-blox5提供超快速的首次定位时间，它所采用的GPS架构不仅拥有50个通道，还提供超过100万个相关器(correlators) 以及独立的定位与搜寻引擎，可以进行大规模的平行搜寻。在u-blox的AssistNow A-GPS服务协助下，u-blox5芯片与模块不到1秒就能取得卫星讯号和完成首次定位。        这些LEA-5模块不但是目前市场上最快速和最灵敏的GPS模块，而且体积很小及成本很低，最适合大众市场的GPS消费装置采用。        LEA-5HGPS模块内含闪存，这能简化轫体升级和系统设定值储存；以ROM为基础的LEA-5S则能进一步降低成本。这两套模块都提供u-blox的OMASUPL兼容A-GPS界面，并且支持AssistNow online和AssistNow offlineA-GPS服务。        LEA-5 GPS模块是u-blox公司（瑞士）的芯片，它有以下5个显著特点：有等效超过l 000 000个相关器的并行通道，灵敏度由原来的-l 5 8d bm提升到不低于-160dbm；功耗不大于50mW；同时支持GPS及伽利略两种定位平台；冷启动时间由原来的34s缩短到冷启动29s，加上A-GPS辅助定位技术，室外冷启动可在ls之内；GPS通道数由第四代的16通道增加至第五代50个通道。u-blox-g5可以应用于手机及PDA等移动产品，极大地扩展厂移动领域的市场。        5、GPS芯片应用-用MAX2742构建GPS接收机        接收机是GPS（全球定位系统）中重要组成部份,对使用者来说GPS接收机应用日益广泛,值此对GPS接收机架构先作剖析。        5.1 GPS接收机基本架构        一个典型的GPS接收机包含如图3所示的功能块，它包括：射频部分(GPS-RF前端)、GPS信号处理器和主处理器。                                              图3        其中RF部分包括：GPS天线、RF滤波器和GPS RF前端。RF部分接收卫星信号，从载波频率中分离出伪随机码，并将其送至GPS信号处理器，在多数现有的接收机中，RF前端部分加上GPS信号处理器能够同时处理4至12颗卫星信号。这种并行处理的能力提供了更高的定位精度，缩短了输出数据的时间。主处理器向用户提供数据，即可以通过一个GUI(图象用户接口)、显示屏，或者其它操作系统途径向用户提供数据(见图4左侧所示)，至于何种途径这取决于实际应用的要求。而同步和定时是GPS接收机的重要特性，为此用数控温补晶体振荡器TCXO（如DS4000）实现同步与定时的目的,见图4所示。        在图3的框图中，存在2个振荡源，包括REF(基准)晶体(或振荡器)和RTC(实时时钟)晶体。REF晶体或振荡器可以相当精确或不精确，取决所使用的接收机。典型范围介于13MHz至30MHz之间，取决于生产厂家。在那些采用GPS接收机作为精密时间基准的应用中,REF振荡器可以是铷源、OCXO、甚至TCXO。在这种情况下，主处理器将修正卫星和接收机之间的任何定时滑动。        RTC晶体为GPS接收机捕获信号过程提供实时时钟信息，以在27颗卫星群中捕获不同的卫星。通过关于卫星位置信息的查询表，RTC有助于提供一个锁定所有可见卫星的起始点。        5.2用MAX2742构建GPS接收机        利用集成CMOS RF前端GPS接收机MAX2742(见图2所示)，和附加极少的外部元件，即可构成一个完整的GPS解决方案。        MAX2742是CMOS、单芯片、GPS前端下变频器。这款性能优异的器件只需消耗极低的功率(32mW，2.4V)，并且不需要昂贵的IF SAW滤波器和体积庞大的分立IF SAW滤波器。MAX2742片内集成了低噪声放大器(LNA)、混频器、BPF、自动增益控制放大器(AGC)、本振合成器、时钟缓冲器和内部数字采样器。 该器件能够与许多商用GPS基带IC接口，适合多种应用，其中包括：汽车导航、远程信息处理、自动安全监控、资产跟踪、定位服务(LBS)及其它消费类电子产品。用MAX2742构成一个完整的GPS RF解决方案只需少量的外部元件。MAX2742工作于18.414MHz晶体或TXCO，提供差分或单端 IF输出(1.023MHz)。总的信号变换增益为120dB，噪声系数4.5dB。IF信号以18.414MHz的参考时钟频率进行采样。        6、结语        新型GPS技术方案应用.汽车电子、膝上型电脑、PDA、蜂窝电话、数码相机、便携式DVD播放器、资产管理。        可以看到GPS芯片正向高灵敏度、低功耗、多模(兼容galileo或其他导航系统)、A-GPS方向发展.在开发GPS产品时，应该把目光主要瞄准未来集成GPS的各种IT设备，如手机、数码相机、PDA、笔记本电脑，做嵌入式解决方案，其次，必须解决高灵敏度、低功耗的问题，应用最先进的芯片，开发对于弱信号捕获和跟踪的算法和硬件。

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