新型GPS技术解决方案和芯片及其应用

GPS是“全球定位系统”（Global Positioning System，GPS）的缩写. GPS使用导航卫星测量时间和距离，以形成全球定位系统. 它可以提供个人定位，定时和速度测量功能.

GPS已广泛应用于航空航天，航空，导航，运输，测量，勘探和许多其他领域. 随着数字集成电路的发展以及对定位功能的需求，GPS已开始越来越多地嵌入到移动手持设备和消费电子产品中. 为此，本文将分析和解释新的GPS技术解决方案和芯片及其应用. 首先，您应该了解GPS的组成和特征.

1. GPS的基本结构和特征

GPS是一种复杂的卫星导航系统. 该系统由环绕地球运行的24颗卫星组成，这些卫星连续发送位置和时间信息. 这些卫星平均分布在6个轨道上，每个轨道有4个卫星. 地面GPS可以接收5到12颗卫星的信号. 为了实现地面定位功能，GPS至少需要接收四个卫星信号，其中三个用于计算GPS的纬度，经度和海拔高度，第四个信号提供同步时间校准.

GPS系统主要分为三个部分: 第一，卫星在空中提供定位信息；第二，卫星在空中提供定位信息. 其次，控制系统维持地面卫星的正常运行，以确保卫星的健康. 第三，接收者，通常是用户使用的部分. 它的定位原理是将地球分成12个横截面，每个横截面都有两个成180度角的定位卫星，因此，站在地球上的任何一点上，头部上方总是有十二个定位卫星. 已知卫星与卫星之间的距离，坐标和角度，卫星与人之间的距离是可测量的，根据几何原理，通常接收机只需要接收三颗卫星的信息即可确定二维坐标. 可以通过接收来自四颗卫星的信息来确定纬度和经度.

目前，卫星（多达27个）网络在不同步的低地球轨道上运行，并覆盖全球，从而确保了定位系统的运行. GPS需要锁定至少4星以提供定位信息. 这些卫星广播或发送的长系列代码（或数字组合）称为伪随机代码. GPS可以通过已知的卫星伪随机码，光速和查找表来计算卫星的传输时间，以保持卫星的位置，然后将传输时间转换为距离. 在多颗卫星（大于4个）的情况下，可以通过解三角方程来计算GPS的位置，并提供用户的位置.

GPS芯片由射频集成电路，数字信号处理电路和标准的嵌入式GPS软件组成. 射频集成电路用于检测和处理GPS射频信号，数字信号处理电路用于处理中频信号gps 集成芯片，标准嵌入式GPS软件用于搜索和跟踪GPS卫星信号，并根据这些信息解决用户坐标和速度信号. 它的主要市场是无线手持设备，汽车，果汁计算设备以及一些CPS用户. 图1显示了手持GPS系统的芯片结构框图.

图1

2. 传统GPS和新技术GPS解决方案的优势

到目前为止，传统的GPS，例如移动设备中使用的全球定位技术，都存在价格高，功耗大和尺寸大的问题. 因此，开发纯软件的GPS，通过该软件来完成GPS芯片的功能，从而进一步降低成本，促使更多的手持设备使用GPS功能是下一代技术的主要市场需求.

2.1新技术GPS解决方案的优势

与其他基于硬件的多芯片解决方案相比，它大大降低了系统成本，功耗和尺寸. 该软件解决方案可以在自动和辅助GPS模式下工作，每秒提供系统的位置信息（例如汽车跟踪）. 您还可以调整算法以满足步行或室内应用的需求，并为手机，PDA，数码相机，MP3播放器，笔记本电脑，DVD播放器等移动产品提供最佳的GPS设计.

2.2新技术GPS解决方案的技术特征

将专有的RFIC设计技术与新的软件GPS技术相结合，开发出一种完全满足移动和产品苛刻要求的解决方案，例如Maxim的RFIC设计技术和飞利浦的创新软件GPS技术Youwu是典型代表. 这可以从以下两点具体解释.

关于初始设计的

a. 基于这项新技术的第一个GPS解决方案是针对笔记本USB附件进行了优化的参考设计. 该设计实现了低成本/高性能GPS附加组件. 最简单的形式可以是GPS条，它将笔记本电脑转换为大屏幕导航设备. 另一个应用程序是USBGPS附件，该附件用于将智能手机与USBOTG连接. 此外，这种小尺寸，低功耗的设计可以与其他设备（例如USB存储驱动器或USBMP3）结合使用，以在这些设备中实现GPS功能.

b硬件/软件集成. 整个参考设计均基于GPS接收机前端，例如基于Maxim的MAX2741 GPS接收机前端，其MAX2741具有内置LNA，自适应AGC和VCO. 此外，MAX2741集成了1、2或3位ADC，可支持2MHz至26MHz的基准频率，并使用2.7V至3.0V电源. 该软件（例如Philips的Spot软件）是用ANSIC编写的600Kb程序代码，可以在各种标准处理器（例如ARM，IntelXscale或TI-OMAP）上加载和运行. 该软件获取GPS前端接收机的输出和卫星定位信息，然后下载卫星星历表，使用新技术进行信号处理，提取卫星信号并生成有效的定位信息.

3. 新技术GPS解决方案的应用示例

3.1应用信息娱乐系统中现有的应用处理器完成GPS /伽利略功能

基于软件的独特GPS解决方案可以在不更改硬件的情况下完成GPS / GalileoGa的升级. 与全球定位系统（GPS）类似，伽利略是由欧洲航天局开发的欧洲导航系统. 预计将在几年内全面投入运营. 与仅GPS的系统相比，将Galileo导航系统添加到GPS卫星系统将大大提高性能. 由于汽车市场的设计周期很长，因此当今的制造商正在积极准备应用这项新技术. GPS /伽利略（GNSS）技术使用系统的主处理器来执行所需的GNSS定位计算，而无需昂贵和大型的基带IC. 因此，用于GNSS的整个硬件材料清单减少为仅需要RF前端电路. 这项新技术提供的性能可与传统的硬件连接的多芯片GPS解决方案相媲美，但成本目前是业界最低的，而且尺寸最小. GNSS解决方案为信息娱乐系统提供了无与伦比的灵活性. 该软件提供独立模式和辅助模式，并且可以进行优化以满足您的汽车导航需求. 图2是将传统GPS解决方案与新的基于软件的GPS解决方案进行比较的示意性框图.

图2

3.2将UMPC或笔记本电脑变成功能齐全的GPS导航系统

独特的GPS软件将成本和尺寸减少了50％. 全球定位系统（GPS）技术使用系统的主处理器来执行所需的GPS计算，而无需昂贵而庞大的GPS基带IC. 此外，高度集成且高度灵活的RFIC（例如MAX274l）可以最大限度地重用其他系统资源，例如参考时钟. 此外，这种基于软件的GPS仅需要具有更少组件的BOM，从而进一步减小了GPS解决方案的尺寸和成本. GPS解决方案提供了无与伦比的灵活性，并且可以扩展超移动PC（UMPC），笔记本电脑，PDA和智能手机中基于位置的应用程序功能. 提供独立和辅助的GPS模式以及不同大小的软件，并且可以针对不同的应用程序进行优化，例如汽车导航，个人导航或单点位置校正应用程序. 与图2相同. 2.

4. 核心芯片是GPS系统的关键部分之一.

核心芯片的质量在很大程度上决定了不同GPS产品的性能差异. 芯片技术与GPS产品的技术指标和未来发展趋势直接​​相关.

GPS芯片由射频集成电路，数字信号处理电路和标准的嵌入式GPS软件组成. 射频集成电路用于检测和处理GPS射频信号，数字信号处理电路用于处理中频信号，标准嵌入式GPS软件用于搜索和跟踪GPS卫星信号，并解决用户坐标和基于这些信号的速度. 它的主要市场是无线手持设备，汽车，果汁计算设备以及一些CPS用户.

这可以从嵌入式CPS导航系统的核心技术中看出. 以Samsung ARM9系列中的16/32位RISC处理器S3C2410A芯片为例. 该芯片强大的实时处理能力和丰富的访问能力非常适合. 嵌入式系统的开发. 该系统是根据芯片的这些特性设计的. 该系统以SC2410A微处理器为核心，最小集成了两个32M SDRAM（HY57V561620CT）和64M NANDFlash（K9F1208UOB）. 此外，系统外部还安装了可用于接收GPS信号的GPS模块，用于显示的LCD面板以及LJDAl341TS语音芯片系统.

ST公司提供完整的GPS解决方案，包括GPS基带控制器和RF. 意法半导体的STA2051使用ARM7TDMI内核，添加了专用的APB和12通道GPS相关器，内部B256K + 16K FLASH存储器和6K SRAM，以及所有标准STR710的资源. 意法半导体与STA2051合作，发布了基于意法半导体专有嵌入式操作系统的完整软件运行时库，以实现完整的GPS解决方案，同时为用户提供开放的ARM和资源，在功耗和成本上更具优势.

STA2051产品系列包括具有更多I / O资源的TQFP64的汽车级STA201和消费级STA2051GO，以及TQFP144的STA2051E.

STA2051的主要特点: 0.18um工艺，3.3V单电源供电，低功耗； ARM7TDMI，32位RISC引擎，调试接口，JTAG；嵌入式256k字节+ 16k字节闪存，64k字节SRAM; EMI（ExternalMemoryInterface）扩展存储接口（仅TQFPl44），分为4个区域，最大可扩展到64M字节； 12通道GPS硬件相关器（STMicroelectronicsIP）；具有唤醒功能的独立RTC（实时时钟）；最高1Mbit / s的CAN控制（CANProtocolrev.2.0partAandB）;四个16位定时器（捕获，比较，计数，PWM）；四个串行端口，例如UARTS，双SPI，双I2C和USB（仅144PIN）；智能卡（1S07816-3包括时钟生成）；看门狗和唤醒控制（RTC或外部触发）； HDLC控制（包括NRZI，FM0和Manchesterencoder）； 4通道12位ADC转换器（Sigma-Delta）;片上稳压器它是CPU和核心逻辑；工作温度: -40℃〜+ 85℃.

50通道LEA-5GPS模块可以提供超越现有水平的速度，灵敏度和易于集成的功能.

LEA-5GPS模块系列具有最快的时间来首次定位GPS市场. 这些独立的GPS使用u-blox5GPS和GALILEO芯片，它们不仅具有丰富的功能和灵活的连接功能，而且还促进了应用程序集成，使得在尺寸和成本上受到严格限制的汽车电子gps 集成芯片，消费和工业应用. 能够迅速进入市场.

u-blox5提供了超快速的首次定位时间. 它使用的GPS架构不仅具有50个通道，而且还提供超过100万个相关器以及独立的定位和搜索引擎，以进行并行搜索. 借助u-blox的AssistNowA-GPS服务，u-blox5芯片和模块可以获得卫星信号并在不到1秒的时间内完成第一个定位.

这些LEA-5模块不仅是市场上最快，最灵敏的GPS模块，而且体积小，成本低. 它们最适合大众消费GPS消费设备.

LEA-5HGPS模块包含闪存，可以简化固件升级和系统设置值存储；基于ROM的LEA-5S可以进一步降低成本. 两组模块均提供u-blox兼容OMASUPL的A-GPS接口，并支持AssistNowonline和AssistNowofflineA-GPS服务.

LEA-5GPS模块是u-blox（瑞士）的芯片，具有以下5个重要功能: 并行通道等效于超过1000000个相关器，并且灵敏度从原始的-l58dbm增加到不低于大于160dbm；功耗不超过50mW；支持GPS和Galileo定位平台；冷启动时间从原来的34s缩短为冷启动29s，加上A-GPS辅助定位技术，室外冷启动可在ls以内； GPS通道数从第四代的16个通道增加到第五代的50个通道. u-blox-g5可以应用于手机和PDA等移动产品，极大地扩展了工厂移动领域的市场.

5. GPS芯片应用-用MAX2742构造GPS

是GPS（全球定位系统）的重要组成部分. 对于用户而言，越来越多地使用GPS. 值得首先分析GPS架构.

5.1 GPS接收机的基本结构

典型的GPS包含图3所示的功能块，其中包括: 射频部分（GPS-RF前端），GPS信号处理器和主处理器.

图3

RF部分包括: GPS天线，RF滤波器和GPSRF前端. RF部分接收卫星信号，将伪随机码与载波频率分离，然后将其发送到GPS信号处理器. 在大多数现有的中，RF前端部分和GPS信号处理器可以同时处理4到12. 卫星信号. 这种并行处理能力提供了更高的定位精度，并缩短了输出数据的时间. 主处理器向用户提供数据，也就是说，它可以通过GUI（图形用户界面），显示屏或其他操作系统通道（请参见图4的左侧）向用户提供数据，具体取决于实际的应用需求. 同步和定时是GPS接收机的重要特征. 为此，使用数控温度补偿晶体振荡器TCXO（例如DS4000）来实现同步和定时，如图4所示.

在图2的框图中，如图3所示，有2个振荡源，包括REF（参考）晶体（或振荡器）和RTC（实时时钟）晶体. REF晶体或振荡器可能非常准确或不准确，具体取决于所使用的. 典型范围是13MHz至30MHz，具体取决于制造商. 在使用GPS作为精确时间基准的应用中，REF振荡器可以是id源，OCXO甚至是TCXO. 在这种情况下，主处理器将纠正卫星与之间的任何时序偏差.

RTC晶体为GPS接收机提供实时时钟信息，以捕获信号，从而捕获27个卫星组中的不同卫星. 通过查找有关卫星位置信息的表格，RTC可以帮助您锁定所有可见卫星.

5.2使用MAX2742构造GPS

使用集成的CMOSRF前端GPSMAX2742（见图2）和很少的其他外部组件，可以形成完整的GPS解决方案.

MAX2742是CMOS单芯片GPS前端下变频器. 该设备具有出色的性能，其功耗非常低（32mW，2.4V），并且不需要昂贵的IFSAW滤波器和笨重的分立IFSAW滤波器. MAX2742集成了低噪声放大器（LNA），混频器，BPF，自动增益控制放大器（AGC），本地振荡器合成器，时钟缓冲器和内部数字采样器. 该器件可与许多商用GPS基带IC接口，并适合多种应用，包括: 汽车导航，远程信息处理，自动安全监控，资产跟踪，定位服务（LBS）和其他消费类电子产品. 使用MAX2742形成完整的GPSRF解决方案，仅需几个外部元件. MAX2742在18.414MHz晶体或TXCO上工作，并提供差分或单端IF输出（1.023MHz）. 总信号转换增益为120dB，噪声系数为4.5dB. IF信号以18.414MHz的参考时钟频率进行采样.

6. 结论

新的GPS技术解决方案的应用. 汽车电子，笔记本电脑，PDA，蜂窝电话，数码相机，DVD播放器，资产管理.

您会看到GPS芯片正在朝着高灵敏度，低功耗，多模式（与伽利略或其他导航系统兼容）和A-GPS的方向发展. 在开发GPS产品时，您应该关注集成GPS的未来. 作为嵌入式解决方案的IT设备，例如手机，数码相机，PDA和笔记本电脑. 其次，它必须解决高灵敏度和低功耗的问题，应用最先进的芯片，并开发用于弱信号捕获和跟踪的算法. 硬件.

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