新型GPS技术方案与芯片及其应用.doc

1、新型 GPS 技术方案与芯片及其应用关键字：卫星 接收 定位 控制 网络 轨道 参数 传输 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

2、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

3、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，

4、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 12、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、

5、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 I

6、C 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

7、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

8、 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 GPSGalileo 功能 独特的基于软件的 GPS 方案，无需改动的硬件即可完成 GPSGalileoGa 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

9、们正在为这项新技术的应用做积极的准备。GPSGalileo(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 23.2 将 UMPC 或膝上型电脑变为一个功能完备的 GPS 导航系统

10、 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

11、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

12、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 ARM7

13、TDMI 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 IO 资源的 STA2051E。 STA2051 主要特性：0.18um 工艺，3.3V 单电源

14、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 rev2.0partA and B)高达 1 Mbits；四路 16-位多功能定时器(捕捉,比较，计数，PWM)；四路

15、UARTS，双 SPI，双 I2C 和USB(仅 144 PIN)等串口通信;智能卡(1S0 7816-3 inclClock generation)；看门狗及唤醒控制(RTC 或外部触发)；HDLC 控制 (inclNRZI，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-b

16、lox 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，

17、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

18、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

19、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）

20、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

21、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

22、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。