GPS和Galileo接收机的芯片技术与系统设计

1 引言

GPS|0">GPS(全球定位系统)以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，使其用途越来越广泛。当今，美国的GPS系统、WAAS系统、LAAS系统、覆盖全球海岸线的DGPS系统、俄罗斯的CLONASS系统、欧盟的Galileo系统和中国的北斗系统都是具有代表性的星基导航系统。全球定位系统经过近50年的研究和开发，已趋于实用，形成了卫星导航产业链。目前，卫星导航的应用已经遍及军事、航海、航空、测量、交通、勘测等几乎一切与位置、速度、时间有关的人类活动中。在各种全球定位系统不断发展的同时，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。卫星定位信号接收机的硬件系统主要由天线单元、射频模块、基带处理模块和电源模块组成。其结构图如图1所示。

2 GPS和Galileo接收机解决方案

GPS 和Galileo接收机的专用芯片组，均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。目前，单芯片、低功耗的CPS芯片以及GPS 和Galileo的射频双模芯片均已问世，而且高速、小面积、低功耗等要求也是将来的设计趋势。目前国际上具有代表性的生产GPS接收机专用芯片公司有： SiRF，ATMEL，Nemerix，u-Nav，STMicroelectronics，Sony，GlobalLocate等。有些厂商提供完整的硬件解决方案，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，有些厂商只提供单独的射频或基带处理芯片。还有一些厂商提供单芯片的 GPS接收机解决方案。

目前，在进行构建一个GPS接收机时有3种方案可供选择，包括：三片式、两片式、单片式结构设计方案。目前，主流的设计方案仍然是两片式结构，即射频+基带处理器，单片式结构是发展的必然趋势和研究的热点。

2.1 三片式结构的接收机设计

采用三片式结构的接收机设计，主要由LNA低噪声放大器、射频前端下变频器、基带处理器构成。具有代表性的设计为ATMEL公司的解决方案：低噪声放大器A-TR0610，射频下变频器ATR0601，基带处理器ATR0625。

该方案设计采用了ANTARIS 4平台ATR0625基带处理器，在只读存储器(ROM)中内置配备SuperSense全球定位系统弱信号跟踪软件的基带处理器。ATR0625与以4 mm×4 mm方形扁平无引线封装且高度整合的低功耗ATR0601共同实现无缝运行。得到了WAAS／EGNOS的全面支持，并整合了低达4 s的首次定位时间(TTFF)和先进的辅助全球定位系统(A-GPS)。

其他的LNA还有Maxim的MAX2641／2654／2655，umPC8211TK等。这种方案设计GPS接收机硬件电路复杂、尤其是前端射频电路的PCB设计和调试比较困难。目前，很少采用这种方案来设计。

2.2 两片式结构的接收机设计

采用两片式结构的接收机设计，主要由射频前端、基带处理器构成。目前，大多数的厂商GPS芯片组都支持该设计方案。而且，也是主流的设计方案。具有代表性的设计，如表1所示。

2.3 单片式接收机设计

伴随着集成电路的迅速发展以及用户的要求，目前，GPS接收机正朝着小面积、低功耗的方向发展，很多GPS芯片厂商也推出了单片式的GPS接收机设计解决方案，具有代表性的如表2所示。

3 辅助GPS接收机(A-GPS)设计

A-GPS是GPS系统借助于无线通信网络(比如GSM，UMTS，CDMA等)对移动站进行定位的技术，它通过A-GPS终端和移动通信网络提供的GPS辅助定位信息共同获取移动用户的位置信息。

A- GPS芯片的供应商有20多家，主要都来自美国和西欧。在基于CDMA网络的A-GPS芯片市场上，美国高通公司的gpsOne技术占主导地位；在基于 GSM网络的芯片市场上SiRF，NemeriX和G1obal Locate等多个厂商处于领先地位。具有代表性的如表3所示。

4 部分GPS厂商芯片组比较

随着卫星导航产业的快速发展，生产GPS接收机芯片的厂商也越来越多，但各个厂商的芯片组都具有自己的特点和独特的优势，总结如下： 美国SiRF Technologies公司的SiRF芯片组。这是世界上最大的GPS芯片厂家。积累多年经验，已开发出三代GPS芯片产品。其中，最新的第三代产品 SiRFs-tarIII在小型化、降低功耗和便携性方面有了长足的进步，特别足在接收