GPS接收機專用芯片組技術及產品開發
分立式器件
在GPS系統應用的早期，也就是20世紀80年代末90年代初，雖然最早的模擬相關器很快被淘汰，多通道數字信號處理開始普及，但由於硬件設計水平和芯片制造技術的限制，GPS接收機接收衛星信號的PVT輸出至少需要七八個芯片。美國羅克韋爾柯林斯公司推出的雙頻MAGR接收機，廣泛應用於美軍武器裝備，僅L1通道射頻前端就包含六個芯片:LNA(低噪聲放大器)ASIC、L波段ASIC(包括L波段放大、下變頻到中頻和固定增益的中頻放大)、PLL(鎖相環)ASIC、第壹中頻(中頻)BPF(帶通濾波器)ASIC、寬帶中頻ASIC(包括第壹中頻AGC、正交下變頻到最後中頻和三電平ADC)、外部參考頻率源。因為GPS信號跟蹤和處理是壹項時間要求嚴格的任務，需要密集的數字信號處理，所以典型的GPS接收機需要壹個專用於GPS功能的CPU。MAGR的基帶信號處理ASIC和微處理器也是兩個獨立的芯片。MAGR專門開發的核心ASIC有5個，包括采用泰克ronix的矽雙極晶體管工藝制造的L波段ASIC、寬帶IF ASIC和PLL ASIC，以及采用bulk CMOS工藝制造的頻率/時間同步ASIC和基帶信號處理ASIC。
片上系統
隨著單片微波集成電路、微帶濾波器和聲表面波(SAW)濾波器技術的成熟和電路制造技術的進步，GPS射頻前端的集成度已經有了很大的提高，現在集成了LNA、TCXO(溫度補償晶體振蕩器)和濾波器的射頻前端芯片已經不再罕見。對於GPS數字信號處理部分，雖然單並行多通道相關器ASIC仍占有壹定市場，但集成GPS數字信號處理模塊和CPU的基帶處理器逐漸成為廠商的主打產品。這符合當前IC設計的主流——在單個矽片上實現更復雜的系統，即片上系統(SoC，又稱單系統芯片)。SoC將眾多功能單元集成在壹個芯片上，其技術優勢包括成本低、體積小、功耗低、處理速度快、系統噪聲低、設計靈活等。SoC的設計數據具有可重用性和可驗證性，其核心模塊可以以IP(知識產權)的形式為其他設計者所享有。
表1中列出的各個廠商的芯片組都可以稱為帶GPS IP的SoC產品。壹些廠商的GPS SoC構成雙芯片GPS接收機，GPS射頻前端完成接收到的L波段衛星信號的放大、濾波、下變頻到中頻、數字化等壹系列任務，而內嵌CPU的基帶處理器及其運行的固件和軟件完成接收機的其余任務，包括並行多通道相關器、衛星信號捕獲跟蹤、必要的外圍接口，甚至導航定位計算。因為集成了LNA的射頻前端產品性能有待提高，所以在很多對相位抖動敏感的高端GPS接收機中，LNA和射頻前端仍然是分開的。此外，TCXO和聲表面波的集成也給GPS射頻前端芯片的設計和制造帶來了挑戰。因此，也有許多三芯片和四芯片接收機，將LNA、TCXO或聲表面波分開。
以表1中專門做GPS接收機專用芯片、ip、軟件的美國公司SiRF Technology的產品為例，來看看射頻加基帶芯片組的技術進步。SiRFstar I是其主要SiRFstar架構中的第壹代產品，集成了12個跟蹤通道。第二代SIF2 STAR II系列在SiRFstar I的基礎上，集成了快速捕獲和衛星信號跟蹤引擎IP (1920相關器，12通道)、差分GPS處理器、減少多徑的硬件、片內存儲器，並內嵌50MHz ARM7 CPU。其中，SiRFstar IIe系列和SiRFstar II/L P系列(低功耗版)搭載了GSW2模塊化軟件，其數字部分GSP具有40MPIS處理能力，集成了高精度RTC(實時時鐘)和兩個UART(異步串行通信端口)，而射頻前端GRFi主要由片上壓控振蕩器和參考振蕩器、中頻濾波器、LNA和數字接口組成。SiRFstar IIt系列專註於在基於多種流行處理器和操作系統的系統中添加SiRFstar II技術。通過享受系統的主處理器、存儲資源和RTC，將GPS功能添加到電路板，支持的SiRFNav軟件可以容易地配置到運行其他主應用軟件的主系統。
第三代產品SiRFstar III的架構包括GRF3w射頻芯片、GSP3f數字部分和GSW3軟件，滿足無線和手持LBS(基於位置的服務)應用的要求。它擁有200，000多個等效相關器，更短的首次定位時間(有輔助的情況下為65，438+0秒)和更高的靈敏度(-65，438+059 DBM)。此外，SiRF還擁有Zodiac GPS芯片組，該芯片組是從Conexant Systems(原Rockwell公司)購買的，並與Jupiter系列GPS接收器板相匹配。在Zodiac 2000芯片組中，射頻前端CX76502射頻MCM(多芯片模塊)采用兩個管芯和單個LGA封裝，射頻部分采用GaAS MESFET技術，中頻A/D部分采用Conexant模擬CMOS技術，內置DTCXO和溫度傳感器。基帶處理器CX 1157712 Scorpio是壹款156引腳BGA表貼芯片，采用0。6微米大塊CMOS器件技術，並嵌入了AAMP2-8微處理器，包括1 PPS通道，兩個UART，DMA控制，片內微處理器地址解碼和存儲器時序控制。
單片GPS接收機
隨著軍用和民用領域對小尺寸、低功耗的不斷追求，以及硬件設計水平和芯片制造技術的不斷提高，2002年，集成GPS射頻和數字部分的單片GPS接收機開始出現，其中生產了摩托羅拉的“Instant GPS”和索尼半導體的CXD2951系列。
摩托羅拉在2002年發布了單芯片GPS接收機“Instant GPS”，體積只有7×7mm，可以放在手表裏，集成到幾乎所有的汽車電子設備、手機和手持設備中。其潛在的應用包括具有時間和位置標記的照相機、具有地圖和實時導航功能的PDA以及具有緊急救援功能的兼容蜂窩電話。“即時GPS”將GPS接收機與GPS L1信號捕獲跟蹤、數據解碼、定位、計算等功能集成在單個芯片上，只需要壹個SAW片外(振蕩器可與其他系統復用)。其功能框圖如圖1所示。采用低中頻射頻結構，提高抗幹擾能力，便於與GSM和藍牙收發器配合工作。由於消除了苛刻的中斷要求，很容易與主機系統集成。基於即時GPS MG4100設備的FSOncore接收板只有12mm× 16.6mm..摩托羅拉新推出的MG4200器件在MG4100的基礎上增加了第二個SPI端口，允許從串行FLASH加載自啟動程序。
圖1摩托羅拉即時GPS芯片功能框圖
索尼在2003年的VLSI研討會上宣布，采用0.18um純CMOS工藝開發出完整的單片GPS接收機LSI(cxd 2951GA/ga 21/GH/GL)，適用於汽車、蜂窩電話、手持導航、移動計算等基於位置服務的應用。CXD2951的RF部分包括壹個LNA、壹個鏡像抑制混頻器、壹個PLL頻率合成器、壹個IF濾波器和壹個數字轉換器。基帶芯片內置UART和內部RTC，支持DGPS功能(RTCMSC-104輸入)和NMEA-0183數據輸出。索尼的單芯片GPS模塊GXB5001尺寸為14mm×23mm。摩托羅拉“即時GPS”mg 4100和SonyCXD2951GA/GA-1芯片之間的其他比較如表2所示:
表2摩托羅拉即時GPS MG4100與索尼CXD2951GA/GA-1芯片對比
單片GPS接收機除了主芯片之外，不需要使用其他額外的處理芯片，這與以前需要兩三個芯片的解決方案有很大的不同。設計難點首先是克服數字電路噪聲對模擬電路的幹擾。索尼在GPS單片電路的版圖設計中，將對噪聲最敏感的LNA部分分配到芯片的壹角，並在LNA和數字電路之間設計了兩層保護帶(噪聲吸收元件)。此外，它在濾波器上設計了觸點，有助於在矽背板不穩定時穩定其電源和接地電位。由於要求GPS接收機的接收靈敏度在-130dBm以下(室內定位要求更高)，因此GPS射頻和基帶處理電路的單片實現比接收靈敏度在-85dBm左右的藍牙芯片更困難。
結束語
目前，國外GPS接收機專用芯片組的研究熱點包括:單芯片接收機、兼容歐盟伽利略系統和其他並行系統、高靈敏度室內定位、與移動通信和手持設備集成(包括改進頻率合成器以允許任何參考時鐘)、抗幹擾、高可靠性、處理速度快、跟蹤性能好、低功耗、小尺寸、低成本和通用性。隨著GPS接收機專用芯片產品和技術的發展，GPS接收機具有更強大的功能和更好的性能，更容易集成到手機、PDA、PC等設備中，為人們提供更廣泛的應用。