软件GPS原理与应用

图2，射频IC的主要功能是将GPS的1.57542GHz载波降频至基频，其主要是由低噪声放大器、混波器、自动增益控制、锁相回路、以及模/数转换器所组成。一般这样的芯片设计都会采用Bi-CMOS的制程以兼顾Bipolar快速、高增益、高驱动力、低宽带噪声和CMOS的低功耗高密度等好处。绝大多数的基频信号处理IC都是由CMOS制成，一般的基频信号处理芯片除了具备有de-spread的correlators之外也都还包含有中央处理单元，以处理追踪及导航的算法而实现卫星信号追踪及几何定位之计算。中央处理单元也负责与存储器芯片之地址/数据运算及与外部I/O的接口如UART。

这样的传统架构存在着一些瓶颈而无法应用在如移动电话等的消费性电子产品上。第一个也是最关键的问题就是接收灵敏度的问题。一般的消费者在使用GPS 时，多数会处在市区内，甚至在建筑物内，这样的环境绝对是GPS的天敌，因为在这样的环境下，卫星传送下来的信号不仅会被衰减，多重反射(multi-path)，甚至完全收不到任何信号(室内)。为了改善接收灵敏度的问题，各家厂商无不在RF IC 及追踪导航算法上力求精进。甚至更有厂商与移动通信网络(如GSM/GPRS 或WiFi热点)相结合，提供辅助导航之功能，使得即使GPS接收器在室内，仍然可以得到定位。

第二个瓶颈是消耗功率过大。在手持式的电子产品中，省电一直是一个最重要的课题。目前在市场上各家IC 的功率消耗分别从150mW到200mW不等。除了基本的耗电需要再继续降低外，有效的电源管理设计也成了重要的设计之一。尤其是传统架构需要用上一颗CPU使得功耗问题一直无法改善。 而且芯片设计也会降低电压至1.8V 以降低功耗。

第三个障碍是GPS接收器的尺寸大小。一般的GPS接收器设计，大体包含有射频芯片、GPS ASIC处理器芯片、CPU和内存。再加上外围其它电路后，其尺寸约略比一般的名片稍小。然而这样的尺寸完全不能符合手持式电子产品的需求。最后一个就是成本问题。凡是要同消费大众普及化的产品，在价格上一定要有竞争力。 而传统方案整个BOM成本则至少要15美元以上。

　　软件GPS原理

所谓软件base全球卫星定位方案，简单地说就是将软件移植到主机(host base)上去执行，以分享中央处理单元(CPU)，存储器芯片等，以进而达到省电，低成本，低功耗及节省板空间的需求。 其架构可由图3表示。

这样的方案只需要外部一个射频芯片，其它都是利用主机(host base)的固有资源。 前端射频芯片将射频信号降到基频，再经由仿真/数字转换器将信号快速取样出来，一般是由SPI (serial port interface)或SD Interface接到主机上的中央处理单元。接着由移植到主处理器的测量计算单元(Measurement Engine) 将射频取样信号转换成原始的GPS各种测量信息(raw GPS measurements)， 再由导航计算单元(Navigation Engine)计算出所有的定位数据，速度，时间等。在硬件部分，一般的冷开机模式下大略需要消耗掉主机上的中央处理单元约50MIPS到400MIPS不等，不同厂家的方案会有不同的系统需求。

　　软件GPS应用

本节将以RF Micro Devices的RF8110为设计实例来说明softGPS的技术应用。由前节所述原理可知，softGPS需要将其运算软件移植到主机端的应用处理器上。其硬件架构，如图4所示。

所以我们再选用Intel XScale的PXA-27X为主应用处理器，并以Single SPI(Serial Port Interface)模式来加以说明。其接口连接如图5。

在此应用中，这个接口使用4线SPI从端口来传送控制信号及GPS数据流。其中MISO(Master In Salve Out)及MOSI(Master Out Slave In)分别做为单向GPS串行数据传输用。而SPI RDY则告诉主机其GPS数据流己待命，然后主机就要下读出命令。在软件移植上，则由图6做个说明。

RF8110提供可移植性高的ANSI C sGPS Library，负责从GPS取样信号中计算出位置，速度及时间。sGPS Library与系统软件的接口为SAL(System Abstraction Layer)。主机端可以在其上开发导航应用软件，可以只是简单的NMEA输出，或是复杂的地图导航。

　　结语

本文主要阐述了softGPS如何克服传统方案，应用在手持移动装置上的瓶颈，并说明softGPS的原理及其应用。在讲究尺寸，功耗及性能的行动装置上，softGPS以仅仅单一射频芯片及可移植性高的运行软件来搭配主机端的应用处理器，可以容易地达到在尺寸，功耗及性能上的各项要求，使得卫星定位系统内建于Smart Phone，PDA更为普遍。目前市场上绝大部分的Smart Phone及PDA，其应用处理器都有足够的能力来处理softGPS的运行软件。再加上辅助式定位系统aiding GPS，将使得GPS的应用更为方便及实用。一旦GPS的导