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  gps(global positioning system)是全球定位系统的简称,能提供全天候的定位、授时、测速功能。gps已被广泛应用于航天、航空、航海、运输、测量、勘探等诸多领域。随着数字大规模集成电路的发展和定位功能需求,gps已经开始更多地嵌入到移动手持设备、消费电子产品中。

  美国联邦通信委员会所制定的e911(enhanced 911)安全条款,规定在2005年年底之前,所有新推出的手机都须配备简易的定位功能,以方便救助单位及时找到通话者的位置。日本政府2004年宣布,将gps接收功能列为3g手机的基本规格,并表示2007年4月后上市的手机,均将配备gps接收功能。尽管现在集成gps功能的手机尚未进入主流市场,但是将来3g手机的中高端机型会普遍集成gps功能。

  核心芯片是gps系统的关键部分之一,核心芯片的优劣在很大程度上决定了不同gps产品的性能差异,芯片技术直接关系到gps产品的技术指标和未来发展走向。gps未来市场容量的巨大吸引力使得芯片产业得以快速发展,目前已有十余家厂商推出了gps芯片。2005年7月,西安华迅公司推出了国内第一块gps芯片,2006年中国科学院微电子研究所也成功开发出了两款gps基带soc芯片。但国内企业、研究机构的gps芯片在性能上与国外产品有很大差距,现有的芯片市场基本上还是国外几大厂商占据,这其中影响较大的有sirf、garmin、u-blox、摩托罗拉、索尼、富士通、nxp、nemerix、unav等厂商,sirf、u-blox尤其引人注目。本文将详细介绍sirf和u-blox公司的芯片,阐述gps芯片设计的发展趋势。

  sirf公司成立于1995年2月,提供gps芯片集以及相应的软件产品,其产量占全球gps芯片出货量的70%。sirf公司的芯片由一块射频集成电路、一块数字信号处理电路和标准嵌入式gps软件构成。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,并根据这些信号求解用户坐标和速度,其主打市场是无线手持设备、汽车、便携式计算设备以及一些gps专业用户。1996年sirf研制出第一代gps芯片结构,称为sirfstari architecture ;1999年sirf公司研制出第二代芯片结构sirfstarii;2004年sirf公司推出了第三代芯片结构sirfstariii。这三代体系的共同特征如表1所示。

三代体系的共同特征

1997年底,sirf公司在sirfstari结构的基础上推出了低功耗的sirfstari/lx芯片集(lx的含义是low power extension),主要用于汽车导航。sirfstari/lx芯片集的快速重捕时间仅仅在0.1s,这对于汽车导航十分重要,因为在城市中,当汽车穿越隧道或者在高楼林立的道路中行驶的时候,卫星信号会暂时丢失。根据统计显示,当车在高楼林立的街道行驶过程中,卫星信号恢复后大约4~5s后很有可能又会丢失,这样重捕时间越短,在有限时间内给出的定位数据就越多。sirfstari/lx芯片集可跟踪最低到-180dbw的卫星信号,所以在树林等对卫星信号有遮挡的地区也可使用。

  1999年sirf公司研制出第二代芯片结构sirfstarii,在此结构上推出了首款芯片产品sirfstariie,2002年推出了sirfstariie/lp和sirfstariit芯片产品。sirfstariie/lp是sirfstariie低功耗版,sirfstariie/lp的最大电流只有60ma,在tricklepower模式下电流只有20ma。sirfstariit为在某些有处理器的系统上集成gps功能提供了嵌入式解决方案,sirfstariit需要分享系统的处理器和内存才可以使用,由系统的处理器运行sirfnav软件。sirfstarii有1920个并行相关器,提高了捕获灵敏度,缩短了首次定位时间(ttff),冷启灵敏度为-142dbm。

  2004年2月,sirf公司推出了第三代芯片架构sirfstariii。2005年2月,sirf推出基于sirfstariii的产品gsc3f和gsc3,其中前者包含一块闪存。2006年11月,sirf推出90nm的基于sirfstariii的产品gsc3lt和gsc3lti,其中后者包含一块闪存。sirfstariii技术用于满足无线和手持lbs应用的需求,配合相应的软件,sirfstariii能接收来自2g、2.5g、3g网络的辅助数据,并能在室内进行定位。sirfstariii有等效于超过200 000个相关器的硬件结构,从而进一步缩短了首次定位时间。

sirf公司在开发硬件结构的同时,还开发了一系列软件,使得其产品容易集成到不同的系统中。这些软件包括sirfloc、sirfxtrac、sirfdrive和sirfnav。这些软件的功能描述如表2所示。

功能描述

成立于1997年的瑞士u-blox公司是知名的gps系统专业制造公司,凭借其gps模块的出色导航性能和优良品质,u-blox在全球gps模块市场上的占有率是最高的。u-blox公司本身是欧洲gps委员会及伽俐略制定委员会的委员,参与欧洲的整个gps项目及伽俐略产品的标准制定及产品的研发工作,目前是欧洲最大的gps供应商。u-blox公司最初采用sirf公司的gps芯片来生产模块,使用过sirfstari/lx和sirfstariie芯片集。从第三代产品开始,u-blox开始使用自己的芯片。u-blox第三代及第四代的芯片由u-blox公司设计芯片、ip内核及软硬件架构,由atmel公司代工生产芯片组。但从第五代ubx-g5及以后的gps芯片组,不再由atmel公司代工生产。

u-blox公司于2006年9月25日在美国gps行业电子展会上正式宣布ubx-g5芯片组已经开发完毕,该系列芯片采用了全新设计架构,其性能已经接近gps理论
设计的极限(gps的芯片组理论设计极限灵敏度为-162dbm,冷启动27s)。u-blox g5不同于以往的u-blox的gps系列芯片,仍然采用与第四代产品相同的封装,但软硬件的架构完全改变。u-blox g5有以下5个显著特点。

(1)有等效超过1 000 000个相关器的并行通道,灵敏度由原来的-158dbm提升到不低于-160dbm;
(2)功耗不大于50mw;
(3)同时支持gps及伽利略两种定位平台;
(4)冷启动时间由原来的34s缩短到冷启动29s,加上agps辅助定位技术,室外冷启动可在1s之内;
(5)gps通道数目由第四代的16通道增加至第五代50个通道;

  ubx-g5可以应用于手机及pda等移动产品,极大地扩展了移动领域的市场。

  u-blox和sirf公司的几款芯片的性能对比参见表3。

u-blox和sirf公司的几款芯片的性能对比

通过上述gps芯片厂商的产品发展史,可以看到gps芯片正向高灵敏度、低功耗、多模(兼容galileo或其他导航系统)、a-gps方向发展。

  其他厂商在开发gps产品时,应该把目光主要瞄准未来集成gps的各种it设备,如手机、数码相机、pda、笔记本电脑,做嵌入式解决方案,不要去开发与sirf和u-blox公司相竞争的独立的gps芯片。其次,必须解决高灵敏度、低功耗的问题,应向最先进的u-blox g5芯片看齐,要开发对于弱信号捕获和跟踪的算法和硬件。

  2010年前,galileo系统会在全球商用,所以开发gps/galileo双模接收机有着更广阔的前景。在此基础上,如果能做出gps/galileo/北斗三模gps接收机则将更具竞争力。开发纯软件gps接收机,通过软件完成gps芯片的功能,从而进一步降低成本,促使更多的手持便携设备采用gps功能。


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