Mcm抱怨知识产权
GPS接收机专用芯片组技术及产品开发
分立式器件
在GPS系统应用的早期，也就是20世纪80年代末90年代初，虽然最早的模拟相关器很快被淘汰，多通道数字信号处理开始普及，但由于硬件设计水平和芯片制造技术的限制，GPS接收机接收卫星信号的PVT输出至少需要七八个芯片。美国罗克韦尔柯林斯公司推出的双频MAGR接收机，广泛应用于美军武器装备，仅L1通道射频前端就包含六个芯片:LNA(低噪声放大器)ASIC、L波段ASIC(包括L波段放大、下变频到中频和固定增益的中频放大)、PLL(锁相环)ASIC、第一中频(中频)BPF(带通滤波器)ASIC、宽带中频ASIC(包括第一中频AGC、正交下变频到最后中频和三电平ADC)、外部参考频率源。因为GPS信号跟踪和处理是一项时间要求严格的任务，需要密集的数字信号处理，所以典型的GPS接收机需要一个专用于GPS功能的CPU。MAGR的基带信号处理ASIC和微处理器也是两个独立的芯片。MAGR专门开发的核心ASIC有5个，包括采用泰克ronix的硅双极晶体管工艺制造的L波段ASIC、宽带IF ASIC和PLL ASIC，以及采用bulk CMOS工艺制造的频率/时间同步ASIC和基带信号处理ASIC。
片上系统
随着单片微波集成电路、微带滤波器和声表面波(SAW)滤波器技术的成熟和电路制造技术的进步，GPS射频前端的集成度已经有了很大的提高，现在集成了LNA、TCXO(温度补偿晶体振荡器)和滤波器的射频前端芯片已经不再罕见。对于GPS数字信号处理部分，虽然单并行多通道相关器ASIC仍占有一定市场，但集成GPS数字信号处理模块和CPU的基带处理器逐渐成为厂商的主打产品。这符合当前IC设计的主流——在单个硅片上实现更复杂的系统，即片上系统(SoC，又称单系统芯片)。SoC将众多功能单元集成在一个芯片上，其技术优势包括成本低、体积小、功耗低、处理速度快、系统噪声低、设计灵活等。SoC的设计数据具有可重用性和可验证性，其核心模块可以以IP(知识产权)的形式为其他设计者所享有。
表1中列出的各个厂商的芯片组都可以称为带GPS IP的SoC产品。一些厂商的GPS SoC构成双芯片GPS接收机，GPS射频前端完成接收到的L波段卫星信号的放大、滤波、下变频到中频、数字化等一系列任务，而内嵌CPU的基带处理器及其运行的固件和软件完成接收机的其余任务，包括并行多通道相关器、卫星信号捕获跟踪、必要的外围接口，甚至导航定位计算。因为集成了LNA的射频前端产品性能有待提高，所以在很多对相位抖动敏感的高端GPS接收机中，LNA和射频前端仍然是分开的。此外，TCXO和声表面波的集成也给GPS射频前端芯片的设计和制造带来了挑战。因此，也有许多三芯片和四芯片接收机，将LNA、TCXO或声表面波分开。
以表1中专门做GPS接收机专用芯片、ip、软件的美国公司SiRF Technology的产品为例，来看看射频加基带芯片组的技术进步。SiRFstar I是其主要SiRFstar架构中的第一代产品，集成了12个跟踪通道。第二代SIF2 STAR II系列在SiRFstar I的基础上，集成了快速捕获和卫星信号跟踪引擎IP (1920相关器，12通道)、差分GPS处理器、减少多径的硬件、片内存储器，并内嵌50MHz ARM7 CPU。其中，SiRFstar IIe系列和SiRFstar II/L P系列(低功耗版)搭载了GSW2模块化软件，其数字部分GSP具有40MPIS处理能力，集成了高精度RTC(实时时钟)和两个UART(异步串行通信端口)，而射频前端GRFi主要由片上压控振荡器和参考振荡器、中频滤波器、LNA和数字接口组成。SiRFstar IIt系列专注于在基于多种流行处理器和操作系统的系统中添加SiRFstar II技术。通过享受系统的主处理器、存储资源和RTC，将GPS功能添加到电路板，支持的SiRFNav软件可以容易地配置到运行其他主应用软件的主系统。
第三代产品SiRFstar III的架构包括GRF3w射频芯片、GSP3f数字部分和GSW3软件，满足无线和手持LBS(基于位置的服务)应用的要求。它拥有200，000多个等效相关器，更短的首次定位时间(有辅助的情况下为65，438+0秒)和更高的灵敏度(-65，438+059 DBM)。此外，SiRF还拥有Zodiac GPS芯片组，该芯片组是从Conexant Systems(原Rockwell公司)购买的，并与Jupiter系列GPS接收器板相匹配。在Zodiac 2000芯片组中，射频前端CX76502射频MCM(多芯片模块)采用两个管芯和单个LGA封装，射频部分采用GaAS MESFET技术，中频A/D部分采用Conexant模拟CMOS技术，内置DTCXO和温度传感器。基带处理器CX 1157712 Scorpio是一款156引脚BGA表贴芯片，采用0。6微米大块CMOS器件技术，并嵌入了AAMP2-8微处理器，包括1 PPS通道，两个UART，DMA控制，片内微处理器地址解码和存储器时序控制。
单片GPS接收机
随着军用和民用领域对小尺寸、低功耗的不断追求，以及硬件设计水平和芯片制造技术的不断提高，2002年，集成GPS射频和数字部分的单片GPS接收机开始出现，其中生产了摩托罗拉的“Instant GPS”和索尼半导体的CXD2951系列。
摩托罗拉在2002年发布了单芯片GPS接收机“Instant GPS”，体积只有7×7mm，可以放在手表里，集成到几乎所有的汽车电子设备、手机和手持设备中。其潜在的应用包括具有时间和位置标记的照相机、具有地图和实时导航功能的PDA以及具有紧急救援功能的兼容蜂窝电话。“即时GPS”将GPS接收机与GPS L1信号捕获跟踪、数据解码、定位、计算等功能集成在单个芯片上，只需要一个SAW片外(振荡器可与其他系统复用)。其功能框图如图1所示。采用低中频射频结构，提高抗干扰能力，便于与GSM和蓝牙收发器配合工作。由于消除了苛刻的中断要求，很容易与主机系统集成。基于即时GPS MG4100设备的FSOncore接收板只有12mm× 16.6mm..摩托罗拉新推出的MG4200器件在MG4100的基础上增加了第二个SPI端口，允许从串行FLASH加载自启动程序。
图1摩托罗拉即时GPS芯片功能框图
索尼在2003年的VLSI研讨会上宣布，采用0.18um纯CMOS工艺开发出完整的单片GPS接收机LSI(cxd 2951GA/ga 21/GH/GL)，适用于汽车、蜂窝电话、手持导航、移动计算等基于位置服务的应用。CXD2951的RF部分包括一个LNA、一个镜像抑制混频器、一个PLL频率合成器、一个IF滤波器和一个数字转换器。基带芯片内置UART和内部RTC，支持DGPS功能(RTCMSC-104输入)和NMEA-0183数据输出。索尼的单芯片GPS模块GXB5001尺寸为14mm×23mm。摩托罗拉“即时GPS”mg 4100和SonyCXD2951GA/GA-1芯片之间的其他比较如表2所示:
表2摩托罗拉即时GPS MG4100与索尼CXD2951GA/GA-1芯片对比
单片GPS接收机除了主芯片之外，不需要使用其他额外的处理芯片，这与以前需要两三个芯片的解决方案有很大的不同。设计难点首先是克服数字电路噪声对模拟电路的干扰。索尼在GPS单片电路的版图设计中，将对噪声最敏感的LNA部分分配到芯片的一角，并在LNA和数字电路之间设计了两层保护带(噪声吸收元件)。此外，它在滤波器上设计了触点，有助于在硅背板不稳定时稳定其电源和接地电位。由于要求GPS接收机的接收灵敏度在-130dBm以下(室内定位要求更高)，因此GPS射频和基带处理电路的单片实现比接收灵敏度在-85dBm左右的蓝牙芯片更困难。
结束语
目前，国外GPS接收机专用芯片组的研究热点包括:单芯片接收机、兼容欧盟伽利略系统和其他并行系统、高灵敏度室内定位、与移动通信和手持设备集成(包括改进频率合成器以允许任何参考时钟)、抗干扰、高可靠性、处理速度快、跟踪性能好、低功耗、小尺寸、低成本和通用性。随着GPS接收机专用芯片产品和技术的发展，GPS接收机具有更强大的功能和更好的性能，更容易集成到手机、PDA、PC等设备中，为人们提供更广泛的应用。