采用单芯片A-GPS方案实现手机导航应用

最新一代的手机已经可以充当游戏机、MP3播放机、照相机和个人数码管理器，下一步就是一些新兴手机业务的推出，如"位置服务(LBS)"将提供一系列基于用户当前地理位置定位的服务，从定位发出紧急呼叫的用户，到导航应用及根据用户当前位置提供定制信息等。

位置服务的灵感来源于英飞凌和其美国合作伙伴Global Locate共同开发的名为"Hammerhead"的PMB2520单芯片辅助全球卫星定位系统(A-GPS)解决方案。A-GPS定位指使用全球卫星定位系统，并接收来自蜂窝移动电话网络的"辅助信息"来进行定位。A-GPS可以在不到一秒钟的时间内对用户进行精确定位，其定位精度高达几米。其高灵敏度意味着无论是在建筑物内还是在很深的郊区峡谷内，它都可以可靠地工作。

A-GPS基本原理

由于GPS系统的性质，对卫星信号中的数据进行核对是一项既复杂又耗时的工作，但在自主操作中又是无法避免的。直接从手机移动网络接收辅助定位信息后，由于无须从卫星信号中对该数据进行核对，从而可以大幅减少GPS接收机的工作量。根据信号强度，这样做可以将首次定位时间(TTFF)缩减到几秒钟，反过来又可以大幅减少每次定位所需要的可观的能量损耗，从而实现了较长的待机和通话时间，而这正是移动通信装置最重要的特性之一。

即使A-GPS的信号比一般"开放天空"的GPS信号更弱1,000倍时，它仍然能够实现可靠的定位，这就意味着A-GPS系统无论是在室内、很深的峡谷内或是在移动的交通工具上都可以正常工作。甚至在带有强反射信号的较差接收条件下，复杂的算法也能够使该系统实现对信号的精确定位(智能化多径干扰抑制技术)。

该系统在使用辅助信息时基本上有两种不同的操作模式，即移动装置主模式和移动装置辅助模式。在移动装置主模式下，手机向网络要求辅助信息，并在长达几个小时的时间内使用该数据集，第一次和随后的定位所需要的计算均在手机内进行。该模式可以实现最快的定位，但要求移动装置具有一定的计算能力。在移动装置辅助模式下，手机向网络请求用于每次定位的独立辅助信息，并将GPS数据发回基站进行进一步的处理。在这种模式下，网络需要完成的工作量大于在移动装置主模式下的工作量，因此，每次定位所需要的时间也长一些，但对移动装置的计算能力没有什么要求。

在手机移动网络上进行所有A-GPS相关数据交换的协议可以基于一种或两种不同的概念，即控制面(Control Plane)或用户面(User Plane)。较早的控制面结构使用无线和核心网的专用信令通路，这种方法需要对现有网络基础设施进行改进，这当然不利于网络运营者。在用户面(又叫安全用户面，SUPL)架构中，移动通信设备与使用IP链接的定位服务器进行通信 ，而现有的移动通信网络基础设施保持不变。数据连接可以通过常规的GPRS连接，如利用网络中现有的接口和协议来完成。Hammerhead与这两种概念完全兼容。

但Hammerhead并非总是依赖于单独从网络接收辅助导航信息。由于采用了高灵敏度的集成式低噪声放大器(LNA)，该芯片还可以实现在自主运行状态下的操作。不过在这种情况下，它需要完全依赖卫星信号来进行运算，定位需要较长的时间，而且室内的接收效果会受到限制，这对于一般的GPS设备来说是很常见的事情。为了弥补这一缺陷，这里采用了一种称为"增强型自主模式"的特殊功能模式(已成为Global Locate的一项专利)。借助该模式，A-GPS可以利用以前记录的辅助导航数据来进行定位计算，这些数据的有效期长达四天。这种长期轨道(LTO)数据可以通过任何接口被传输到移动装置上，也就是说，该信息不一定必须来源于手机移动网络，而是可以通过互联网进行下载。该技术将发挥重要的作用，直至移动网络运营者完成全球A-GPS基础设施的建设。

单芯片整合射频功能和基带

在PMB2520方案中，高灵敏度的射频接收器(灵敏度为-160dBm)和数字基带被整合在一个0.13um CMOS芯片上。英飞凌的射频和系统经验结合Global Locate的既有的A-GPS专有技术，为实现Hammerhead芯片的设计提供了基础。

Hammerhead使用"大规模并行关联"技术来接收卫星以八个并行信道发射的信号，并将它们同32,000多个相关器中的参考码进行比较。与车辆导航系统中常用的接收器相比，该技术可以大幅缩短首次定位时间，并可以显著减少功耗。因此，在冷启动后以-130dBm的灵敏度进行接收的情况下，Hammerhead的首次定位时间仅为一秒钟左右。该功能主要适用于只需一次定位、无需连续追踪的应用(如应急服务和寻人)。

由于它的大规模集成度，Hammerhead包括外部元件(SAW滤波器和一些无源器件)占手机印刷电路板的面积仅为80mm2。目前市场上的GPS芯片大多数采用双芯片方案，常常需要300mm2的电路板面积。

另一个使成本最优化的方面是该芯片经过调整设计，可以适用于一般的手机架构。尽管完全不是一种自主运行解决方案，Hammerhead还是巧妙地使用了目前手机设计中既有的功能单元，如用于高精度参考时钟频率(10-40MHz)和实时时钟频率(32,768kHz)的晶振。

实际位置是通过GPS芯片的相关器(时间延迟差)的原始数据在手机基带中进行计算来确定的，这种计算是采用Global Locate提供的软件库。和单纯基于DSP的GPS解决方案相比，这种方案所需的计算能力很低，仅为3MIPS，对目前的基带不构成任何挑战。这种软件既无任何实时要求，也不会干扰目标系统的电话呼叫流程。此软件库的存储器需求也不高：不超过50kb的RAM和不超过200kb的ROM。该软件库能以二进制可执行码的形式提供给目标CPU架构。

总的来说，Hammerhead可以与许多针对2.5G和3G网络的手机基带解决方案兼容，和主CPU之间的数字连接可以通过使用任何一种Hammerhead接口选项来完成，该芯片可以提供标准UART端口、SPI或I2C。用户可以对任何一种接口进行配置以满足目标系统的要求。该芯片对数字接口数据率的要求不超过9,600波特。