|
1 引言 GPS(全球定位系統)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、WAAS系統、LAAS系統、覆蓋全球海岸線的DGPS系統、俄羅斯的CLONASS系統、歐盟的Galileo系統和中國的北斗系統都是具有代表性的星基導航系統。全球定位系統經過近50年的研究和開發，已趨于實用，形成了衛星導航產業鏈。目前，衛星導航的應用已經遍及軍事、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不斷發展的同時，GPS用戶端設備也處于不斷升級和發展之中。 從接收機的結構來看，隨著VLSI(超大規模集成電路)和DSP(數字信號處理)技術的發展，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，所能達到的通道數和等效相關器數不斷增加，集成度更高的內嵌MPU／MCU的GPS基帶處理器芯片成為主流，將射頻和數字處理集成在一起的單芯片接收機產品也已經問世。衛星定位信號接收機的硬件系統主要由天線單元、射頻模塊、基帶處理模塊和電源模塊組成。其結構圖如圖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的完整的GPS接收機或系統解決方案，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、單片式結構設計方案。目前，主流的設計方案仍然是兩片式結構，即射頻+基帶處理器，單片式結構是發展的必然趨勢和研究的熱點。 2.1 三片式結構的接收機設計 采用三片式結構的接收機設計，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)中內置配備SuperSense全球定位系統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(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設計和調試比較困難。目前，很少采用這種方案來設計。 2.2 兩片式結構的接收機設計 采用兩片式結構的接收機設計，主要由射頻前端、基帶處理器構成。目前，大多數的廠商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系統借助于無線通信網絡(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 隨著衛星導航產業的快速發展，生產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勢，總結如下： 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。積累多年經驗，已開發出三代GPS芯片產品。其中，最新的第三代產品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量和PCB的面積，采用雙超外差結構接收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，具有靈活結構的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相關器內核、32 bit RISC的CPU內核、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，則可構成A-GPS接收機。 使用集成組件構建衛星信號接收端簡捷、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星定位授時同步數據或信號的波動，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 為了便于研究開發新一代衛星定位接收機，開發和驗證GPS信號處理的算法，將傳統接收機中用數字器件實現的信號處理功能改用軟件來實現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，FPGA，DSP／ARM等處理芯片構成。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數字信號的輸出。在FPGA內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展，整個芯片都在朝著高速、小面積、低功耗的方向來發展。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，嵌入自己的優化算法。這也是GPS接收機國產化的必由之路。 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／數字采樣單元和PC機構成，硬件結構如圖4所示。 在這種設計中，經射頻采樣的數字中頻數據，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機執行所有的GPS接收機內部核心軟件，包括基帶軟件、導航解算軟件、NMEA0183數據生成軟件等。典型設計有MAX2741+LifeVibes Spot V2軟件的GPS接收機設計生產時需付給Philips軟件使用版權費，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 隨著微電子技術和超大規模集成電路的發展，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的接收機，高靈敏度室內定位，與移動通信和手持設備的集成、抗干擾、完好性、高動態、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的發展，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。 |
