GPS接收机专用芯片组技术发展

摘　要：在总结国外现有的完整GPS 接收机专用芯片组最新情况的基础上，结合典型的芯片产品，阐述了GPS 接收机专用芯片组从分立式器件到片上系统、再到单片式接收机的技术发展过程、现状和趋势。

关键词： GPS ；射频前端；数字信号处理；SoC ；IP

引　言

GPS(全球定位系统) 发展到今天，其用途越来越广泛， 而技术的进步和用户需求也不断推动GPS 系统的增强。目前美国正在致力于GPSBlock II 系统的现代化和“GPS-III”计划，旨在全面改善GPS 的生命力、精度、可用性、完好性、灵活性和安全性。

GPS 用户端设备也处于不断升级和发展之中。从接收机的结构来看，随着VLSI (超大规模集成电路) 和DSP (数字信号处理) 技术的发展，单通道序贯式、时分多路复用式接收机早已为采用了DSP 模块的并行多通道接收机所代替，所能达到的通道数和等效相关器数不断增加，集成度更高的内嵌MPU/MCU 的GPS 基带处理器芯片成为主流，将射频和数字处理集成在一起的单芯片接收机产品也已经问世。

GPS 接收机专用芯片组，主要包括射频和基带信号处理芯片，构成了GPS 接收机的核心和关键部件。本文着重阐述国外GPS 接收机专用芯片组的技术、产品现状和发展趋势。

国外现有的完整GPS 芯片组解决方案

　　目前全球约有二十多家制造商生产GPS 接收机专用芯片，供系统开发商构建自己的GPS 接收机。其中有些厂商提供完整的GPS 射频加基带芯片组的硬件解决方案，有些厂商提供包括配套软件在内的完整的GPS 接收机或系统解决方案，还有一些厂商只提供单独的射频或基带处理芯片。根据厂商的出版物和网站资料可以归纳出其现行产品情况如表1 所示。


表1 　主要GPS 射频加基带芯片组厂商及其产品一览表

GPS 接收机专用芯片组技术和产品发展

分立式器件
在GPS 系统走向应用的早期，即80 年代末90年代初，虽然最早出现的模拟相关器很快被淘汰，多通道的数字信号处理开始盛行，但受限于硬件设计水平和芯片制造工艺的制约，GPS 接收机从卫星信号接收到PVT 解算输出仍至少需要七、八块芯片协同完成。由Rockwell Collins 推出的广泛应用于美军武器装备的双频MAGR 接收机(Miniature airborne GPS receiver ) ，仅L1 通道RF 前端就包含六块芯片：LNA (低噪声放大器) ASIC ，L波段ASIC(含L 波段放大、下变频到中频、固定增益的中频放大) ， PLL (锁相环) ASIC ，第一IF (中频)BPF (带通滤波器) ASIC ，宽带IF ASIC(含第一IF AGC、到最终IF 的正交下变频、三电平ADC) ，外部参考频率源。由于GPS 信号跟踪和处理是一种时间紧迫型任务，要求密集的数字信号处理，典型的GPS 接收机中需要一个专用于GPS 功能的CPU 。MAGR 中基带信号处理ASIC 与微处理器也是分开的两块芯片。MAGR 中有五块专门研发的核心ASIC ，包括采用Tekt ronix 的硅双极性晶体管工艺制造的L 波段ASIC、宽带IF ASIC 和PLL ASIC ，以及采用bulk CMOS 工艺制造的频率/时间同步ASIC 和基带信号处理ASIC。

片上系统
随着单片微波集成电路、微带滤波器、声表面波(SAW) 滤波器技术的成熟和电路制作工艺的进步， GPS RF 前端集成度大大提高， 如今集成了LNA 、TCXO(温补晶振) 和滤波器的射频前端芯片已经不再罕见。对于GPS 数字信号处理部分，尽管单独的并行多通道相关器ASIC 仍占据着一定的市场， 然而集成了GPS 数字信号处理模块和CPU 的基带处理器已经逐渐成为厂商主推的产品。这符合当前IC 设计的一个主流———在单个硅片上实现更为复杂的系统，即片上系统(System on Chip ，简称SoC ，又称单系统芯片) 。SoC 将许多功能单元结合在一块芯片上，其技术优势包括成本低、尺寸小、功耗小、处理速度快、系统噪声小、设计上的弹性等。SoC 的设计数据是可重复使用和可验证的，其核心模块可以作为IP (知识产权) 的形式为其它设计者所共享。

表1 中所列各厂商芯片组均可称之为含GPS IP 的SoC 产品。其中有些厂商的GPS SoC 构成两片式GPS 接收机，由GPS射频前端完成将接收的L 波段卫星信号放大、滤波、下变频到中频和数字化等一系列任务，而由内嵌CPU 的基带处理器及其上运行的固件和软件来完成接收机的其余任务，包括并行多通道相关器、卫星信号捕获与跟踪、必要的外围接口，以至导航定位解算。由于集成了LNA 的射频前端产品性能有待于提高，在许多对相位抖动比较敏感的高端GPS 接收机中仍采用LNA 与射频前端分立的设计。另外， TCXO 和SAW 的集成也给GPS RF 前端芯片的设计制造带来了挑战。故而市场上也不乏将LNA、TCXO 或SAW 单独分离出来的三片式、四片式接收机。

以表1 中一家专业致力于GPS 接收机专用芯片、IP 和软件的美国公司SiRF Technology (瑟孚科技) 的产品为例来看射频加基带芯片集的技术进展。其主推的SiRFstar 体系结构中第一代产品SiRFstar I 集成了12 个跟踪通道。第二代的SiRF2star II 系列在SiRFstar I 基础上集成了快捕和卫星信号跟踪引擎IP (1920 个相关器，12 个通道) 、差分GPS 处理器和减小多径的硬件、在片存储器，并内嵌50MHz 的ARM7 CPU 。其中SiRFstar IIe 家族和SiRFstar II/L P 家族( 低功率版本) 配套了GSW2 模块化软件， 其数字部分GSP 具有40MPIS 处理能力，集成了高精度RTC(实时时钟)和2 个UART (异步串行通信口) ， 而RF 前端GRFi 主要由片内压控振荡器和基准振荡器、中频滤波器、LNA 和数字接口等组成； SiRFstar IIt 家族则着重于把SiRFstar II 技术加入到基于多个流行处理器和操作系统的系统中，通过对系统的主处理器、存储资源和RTC 的共享把GPS 功能加到电路板上，配套的SiRFNav 软件可以较容易地配置到运行其他主应用软件的主系统上。

第三代产品SiRFstar III 体系结构包含GRF3w 射频芯片，GSP3f 数字部分和GSW3 软件，面向无线和手持LBS(基于位置的服务) 应用的要求，具有多于200,000 个等效相关器，首次定位时间更短(有辅助时为1 秒) ，灵敏度更高( - 159dBm) 。另外，SiRF 还拥有从Conexant 系统公司(即原Rockwell 公司)收购的、为Jupiter 系列GPS 接收机板配套的Zodiac GPS 芯片组。在Zodiac 2000 芯片组中射频前端CX76502 RF MCM (多芯片模块) 为双管芯单LGA 封装， RF 部分采用GaAS MESFET 技术，IF-A/D 部分则采用Conexant 的模拟CMOS 技术，内置DTCXO 和温度传感器；基带处理器CX1157712 Scorpio 为一个156 脚BGA 表面贴装芯片，采用0. 6 微米bulk CMOS 设备技术制造，内嵌AAMP2-8 微处理器，含12个GPS 通道，两个UART ， DMA 控制，片内微处理器地址解码和内存定时控制，RTC 接口，提供1 PPS 和10kHz 定时信号输出。

单片式GPS 接收机
随着军用和民用对小尺寸、低功耗的不断追求，以及硬件设计水平和芯片制造工艺的不断进步，2002 年开始出现将GPS 射频与数字部分集成在一起的单芯片GPS 接收机，其中产品化的单片式GPS 接收机有Motorola 的“Instant GPS”(即时GPS) 和Sony Semiconductor 的CXD2951 系列。

Motorola 于2002 年发布一款单芯片GPS 接收机“Instant GPS”，体积仅有7×7mm ，可以置于手表中，集成到几乎所有的汽车电子装置、移动电话和手持设备中。其潜在应用包括带时间和位置戳的照相机，带地图和实时导航功能的PDA ，E_911 兼容的具备紧急救助功能的蜂窝电话等。“Instant GPS”在单芯片上集成了包含GPS L1 信号捕获跟踪、数据解码、定位解算等功能的GPS 接收机，片外仅需一个SAW(振荡器可以与其他系统复用) ，其功能框图如图1 所示。采用低中频的射频结构以改进抗干扰能力，且易于与GSM 和蓝牙收发机协同工作。由于消除了苛刻的中断要求，易于与主机系统集成。基于Instant GPS MG4100 器件的FSOncore 接收机板仅有12mm×16.6mm。Motorola 新近推出的MG4200 器件在MG4100 基础上增加了允许从串行FLASH 加载自启动程序的第二个SPI 口。

图1 　Motorola Instant GPS 芯片功能框图

Sony 公司于“2003 年VLSI 专题研讨会”上公布其使用0.18um 纯CMOS 技术开发出一款完整的单片式GPS 接收机LSI (CXD2951GA/GA21/GH/GL) ，适合于汽车、蜂窝手机、手持导航、移动计算和其他基于位置定位服务的应用。CXD2951 的射频部分包括一个LNA ，镜像抑制混频器，PLL 合成器， IF 滤波器和数字转换器； 基带芯片内置一个UART 和一个内部RTC ，支持DGPS 功能(RTCMSC-104 输入) 和NMEA-0183 数据输出。Sony的单芯片GPS模块GXB5001 大小为14mm×23mm。Motorola“Instant GPS”MG4100 与SonyCXD2951GA/GA-1芯片的其他比较见表2：
表2 　Motorola“Instant GPS”MG4100 与Sony CXD2951GA/GA-1 芯片的比较


　　单片式GPS 接收机不需要在主芯片之外再使用其他额外的处理芯片，与以前需要使用两三个芯片的解决方案有很大的不同。其设计难点首先是需要克服数字电路噪音对模拟电路的干扰。Sony在GPS 单芯片电路的布局设计上把对噪音最为敏感的LNA 部分配置到芯片的一角，同时在LNA和数字电路之间设计了两层保护频带(吸噪元件) ，另外在滤波器上设计触头以利于在硅底板电源和接地电位不稳定时起到一定的稳定作用。由于GPS 接收机的接收灵敏度要求在- 130dBm 以下(室内定位要求更高) ，故而较之接收灵敏度为-85dBm 左右的蓝牙芯片而言， GPS 射频和基带处理电路的单芯片化更难实现。

结束语

目前国外GPS 接收机专用芯片组研究的热点包括单芯片接收机，与欧盟Galileo 系统及其它平行系统的兼容，高灵敏度室内定位，与移动通信和手持设备的集成(包括改进射频频综以允许任意参考时钟) ，抗干扰，高可靠性，高的处理速度，好的跟踪性能，低功耗，小尺寸，低成本和多用途等。GPS接收机专用芯片产品和技术的发展，使得GPS 接收机功能更强大，性能更好，也更易于集成在手机、PDA 、PC 等设备中，为人们提供更为广泛的应用。