GPS技術(shù)方興未艾

　　全球定位系統(tǒng)，更多地稱為GPS，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，價(jià)格合理，確實(shí)會(huì)給全世界帶來(lái)福音。目前GPS最常見(jiàn)的應(yīng)用是汽車行業(yè)。很多新型轎車都配備了內(nèi)置的導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS正是這一系統(tǒng)的心臟。





圖1 SiRFstar 1 代表了主機(jī)基GPS體系結(jié)構(gòu)






圖2 Trimble和InHand聯(lián)合研發(fā)的Fingertip基準(zhǔn)設(shè)計(jì)




　　GPS第二種應(yīng)用是Enhanced 911(E-911)。E-911能讓有關(guān)管理部門(mén)知道蜂窩電話呼叫來(lái)自何處。比如，一個(gè)呼叫者在沙漠高速公路某地處于困境，可通過(guò)它來(lái)跟蹤呼叫的位置，從而讓管理部門(mén)知道呼叫來(lái)自什么地方。另一個(gè)例子是在森林中迷失方向的徒步旅行者。如果打一個(gè)電話到E-911，管理部門(mén)即能確定呼叫者的正確位置。該行業(yè)的絕大部分專家一致認(rèn)為，E-911是將GPS推向大規(guī)模應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)力。


　　“業(yè)界顯然已認(rèn)識(shí)到定位的價(jià)值，”Trimble Navigation有關(guān)人士指出：“我們要理順定位與各種服務(wù)和需求之間的關(guān)系，尤其要根據(jù)具體的實(shí)際情況。切實(shí)可行的做法是從定位與通信相結(jié)合著手，以便迅速發(fā)現(xiàn)需要幫助的人員的位置。


　　十分明顯，定位應(yīng)盡可能地普及，盡管讓設(shè)備具有方位感的想法由來(lái)已久，但由于GPS還不能在各處工作，因此至少在目前，這一想法還不能成為現(xiàn)實(shí)。GPS甚至還未達(dá)到通信那樣的普及程度。



路在何方？


　　實(shí)現(xiàn)E-911有種種途徑。它可集成在手機(jī)中，也可成為網(wǎng)絡(luò)(基礎(chǔ)設(shè)施)的一部分，或采用混合的解決方案。


　　若采用網(wǎng)絡(luò)基解決方案，位置是在網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算的，用不著改換手機(jī)，就是說(shuō)能使用傳統(tǒng)的手機(jī)。但絕大部分投資用于改造基礎(chǔ)設(shè)施。手機(jī)方案則要求所有消費(fèi)者使用新的手機(jī)。


　　在GPS業(yè)界，供應(yīng)商們可謂是八仙過(guò)海，各顯其能。有專供硬件的，有專供軟件的，也有兩者兼顧的。系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)GPS也有兩種不同的方案。一是完整的、獨(dú)立的GPS子系統(tǒng)，由子系統(tǒng)本身來(lái)完成全部處理工作。二是依賴于系統(tǒng)中主微處理器的GPS子系統(tǒng)。


　　從目前看，GPS極具規(guī)模生產(chǎn)潛力的市場(chǎng)涉及四個(gè)領(lǐng)域：蜂窩電話、汽車、移動(dòng)電腦(PDA型平臺(tái))和獨(dú)立GPS子系統(tǒng)。而生產(chǎn)規(guī)模最大的要數(shù)汽車行業(yè)，尤其在歐洲。但不久的未來(lái)，規(guī)模領(lǐng)先的可能是蜂窩電話。獨(dú)立GPS會(huì)采用其它嵌入式器件的形式，但GPS是它的主要功能。例如，它會(huì)以手表或數(shù)碼相機(jī)的形式出現(xiàn)，但GPS是它的主要賣點(diǎn)，其它外圍功能是第二位的。


　　GPS核心軟件的主要功能是從GPS衛(wèi)星取得信號(hào)，再根據(jù)這些信息，通過(guò)一類常用的篩選程序計(jì)算出位置。當(dāng)然把GPS集成在蜂窩電話或汽車一類現(xiàn)有便攜式平臺(tái)時(shí)，問(wèn)題就復(fù)雜化了。由于不僅要處理GPS，而且還要處理GPS外平臺(tái)的其它功能，使復(fù)雜度大大增加。


SiRF Technologies是一家兼?zhèn)溆布�和軟件組件的公司。該公司對(duì)軟件獨(dú)具慧眼。據(jù)該公司的人士透露：“軟件是GPS的最主要部分。在SiRF里，軟件工程師比硬件工程師還要多�！�



三個(gè)要素


　　按其基本術(shù)語(yǔ)劃分，GPS技術(shù)由以下三個(gè)要素組成。首先，是從衛(wèi)星發(fā)送下來(lái)的約1.5GHz高頻(RF)信號(hào)。RF接收機(jī)部分接收信號(hào)、完成濾波和下變頻。然后基帶處理器用該信息來(lái)計(jì)算位置。


　　第二個(gè)要素是基帶處理器，它常常有一個(gè)專用的DSP，是一個(gè)硬接線的信號(hào)處理引擎。也有設(shè)計(jì)師借助于標(biāo)準(zhǔn)DSP，但其性能和功能通常達(dá)不到計(jì)算位置所需的水平。在某些場(chǎng)合，用第二個(gè)處理器來(lái)協(xié)助DSP。大量軟件是在第二個(gè)處理器執(zhí)行的。第三個(gè)要素是軟件。


就SiRF產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，公司有兩類產(chǎn)品，每類產(chǎn)品都包括RF芯片和基帶芯片。差別主要表現(xiàn)在基帶一方。一類產(chǎn)品，SiRFstarⅠ，只有GPS DSP，沒(méi)有其它的CPU或存儲(chǔ)器。因此，該芯片組要增添外部CPU和存儲(chǔ)器來(lái)完成全部GPS計(jì)算(見(jiàn)圖1)。


　　第二類SiRF產(chǎn)品，SiRFstarⅡ，備有附加的處理器(50MHz ARM7)，有足夠的性能提供差分GPS。板上還有1Mb存儲(chǔ)器。差分GPS提高了準(zhǔn)確度，從約15~20m精確到1~5m。稱為寬域擴(kuò)展系統(tǒng)(WAAS)的差分系統(tǒng)是美國(guó)的FAA提出的。FAA正在研發(fā)這一系統(tǒng)，利用GPS為飛機(jī)導(dǎo)航。但這一技術(shù)也可為標(biāo)準(zhǔn)GPS提供者所用。


　　SiRFstarⅡ還備有跟蹤衛(wèi)星的專用引擎。原先，跟蹤衛(wèi)星是由系統(tǒng)主處理器上執(zhí)行的軟件完成的。由于這是一個(gè)計(jì)算強(qiáng)度極大的過(guò)程，所以需添加專用引擎以確保最佳的性能。


　　如果采用傳統(tǒng)的制作工藝，完整的GPS解決方案占用約1in2的空間。采用最先進(jìn)的技術(shù)，諸如疊層式芯片，可大大地減少所占用的空間。
上述解決方案的總成本取決于所集成的器件數(shù)量。要是GPS用作獨(dú)立的功能，就是說(shuō)沒(méi)有共享的資源，包括存儲(chǔ)器和CPU，那末成批生產(chǎn)的材料清單(BOM)接近30美元。


　　然而，蜂窩電話市場(chǎng)對(duì)成本是最為敏感的。因此，為了符合成本的期望值，系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)是截然不同的。例如，蜂窩電話的基帶可與GPS的基帶集成在一起，來(lái)減少存儲(chǔ)器的容量。



內(nèi)部干擾


　　當(dāng)將GPS嵌入在現(xiàn)有系統(tǒng)時(shí)，特別是已存在RF信號(hào)的系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)意識(shí)到潛在的干擾問(wèn)題。除了蜂窩信號(hào)，設(shè)計(jì)師還要處理藍(lán)牙和/或802.11信號(hào)。


　　因此SiRF Technology人士指出：“要是你十分熟悉RF，這難度并不大。但如果你對(duì)RF了解甚少，則會(huì)困難重重，這里有兩個(gè)問(wèn)題。首先是濾波，不能讓一個(gè)RF系統(tǒng)的噪聲干擾另一個(gè)RF系統(tǒng)，其次是屏蔽，要將系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)。倘若處理恰當(dāng)，而核心系統(tǒng)在這樣環(huán)境中又足夠的健壯，那末就會(huì)萬(wàn)事大吉。無(wú)論如何要小心翼翼，RF設(shè)計(jì)畢竟與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)不是一回事�！�


一項(xiàng)有待改進(jìn)的基本功能是室內(nèi)使用GPS系統(tǒng)的能力，在室內(nèi)，衛(wèi)星缺乏清晰的視線，因此，SiRF人士認(rèn)為：“算法和技術(shù)都要有重大突破，以改進(jìn)GPS在室內(nèi)環(huán)境中的性能�！�


　　除了算法，還希望從衛(wèi)星處“看到”更強(qiáng)的信號(hào)。因此，研發(fā)一種能充分利用衛(wèi)星信號(hào)的接收機(jī)勢(shì)在必行。


　　盡管目前流行的眾多GPS解決方案工作于“主機(jī)基”體系結(jié)構(gòu)，但也有人認(rèn)為，這未必是最佳的方案。按照T rimble人士的看法：“主機(jī)基方案現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題在于，GPS是高度中斷驅(qū)動(dòng)的任務(wù)，基本上完全控制了CPU，根本無(wú)法完成同時(shí)存在的其它任何應(yīng)用。” 相比之下，Trimble產(chǎn)品能在任一種體系結(jié)構(gòu)中工作。他們認(rèn)為：“在某些特定的場(chǎng)合，即客戶的應(yīng)用規(guī)模不大，且能經(jīng)得起考驗(yàn)，主機(jī)基還能勝任。但我們發(fā)現(xiàn)，不論是那一種實(shí)際規(guī)模的應(yīng)用，處理器是專門(mén)用來(lái)解決GPS解決方案的。” GPS應(yīng)用的高中斷率是采用專用處理器的主要原因。GPS是要求即時(shí)響應(yīng)的，即在請(qǐng)求服務(wù)后，應(yīng)立即進(jìn)行服務(wù)，否則將不能鎖定衛(wèi)星，要求系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星重新采集數(shù)據(jù)。除了高中斷率，它還是需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的。
　　在主機(jī)基解決方案中，Trimble芯片組需用比其它任何應(yīng)用高出2至4MIPS的處理器。最新型號(hào)ARM基處理器符合這一要求。它還需約90KB RAM和256KB ROM。他們進(jìn)一步指出：“我們寧愿選擇具有現(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)工具的操作系統(tǒng)，這樣Trimble和系統(tǒng)集成商都能采用相同的套裝工具，保證無(wú)縫的集成�！盩rimble最近研發(fā)一種混合主機(jī)基產(chǎn)品，它既不是高度中斷驅(qū)動(dòng)的，也無(wú)需對(duì)例行服務(wù)作出立即的響應(yīng)。這樣的混合產(chǎn)品內(nèi)置一個(gè)小型RISC控制器，其功能足以完成獨(dú)有的GPS跟蹤和數(shù)據(jù)采集算法。然后再將基本測(cè)量數(shù)據(jù)提供給環(huán)境中的其它設(shè)備。 公司聲稱，在某些場(chǎng)合，在沒(méi)有來(lái)自主機(jī)環(huán)境的任何響應(yīng)時(shí)，該芯片組可以連續(xù)運(yùn)作幾個(gè)小時(shí)。但在實(shí)際上，一般是每隔幾秒種就要進(jìn)行一次通信。



GPS in-hand


　　Trimble最近聯(lián)合InHand Electronics，共同研發(fā)了稱為Fingertip的手持式平臺(tái)。基準(zhǔn)平臺(tái)是Trimble的M-Loc GPS模塊和First GPS軟件與InHand的BatterySmart系統(tǒng)軟件兩者的結(jié)合，簡(jiǎn)化了帶GPS定位功能的手持式設(shè)備的構(gòu)建過(guò)程(見(jiàn)圖2)。平臺(tái)是由執(zhí)行Windows CE3.0的Intel Strong ARM處理器驅(qū)動(dòng)的。衍生的產(chǎn)品涉及啟用GPS的蜂窩電話、尋呼機(jī)、PDA、膝上電腦、智能電話、以及數(shù)碼相機(jī)�！拔覀兞�圖排除種種障礙�！� InHand有關(guān)人士指出：“設(shè)計(jì)師構(gòu)建啟用GPS的系統(tǒng)時(shí)，再也不用顧及GPS、手持式電腦板、或軟件是如何設(shè)計(jì)的。他們只需一個(gè)Fingertip平臺(tái)，加上電池、顯示器和機(jī)殼，再編寫(xiě)自己的應(yīng)用軟件。” M-Loc模塊是保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵部件。該部件的尺寸為25mm×25mm，耗電35mW。 Time-to-first-fix(TTFF)是一個(gè)進(jìn)行了某些改進(jìn)的性能，是符合E-911標(biāo)準(zhǔn)所必須的。 “在以前，TTFF存在的理由并不充分，”Valence Semiconductor有關(guān)人士聲稱：“在很多場(chǎng)合，TTFF超過(guò)30秒�，F(xiàn)在，我們正在考慮單位數(shù)(single-digit)的要求。而且，靈敏度也大幅度提高了，兩者是互相關(guān)聯(lián)的。信號(hào)電平越高，采集速度也越快，從而TTFF才能越小�！膘`敏度表示GPS跟蹤并計(jì)算出所要求的測(cè)量值的信號(hào)強(qiáng)度。 芯片組供應(yīng)商和系統(tǒng)集成商都在不斷提高集成度來(lái)解決一系列問(wèn)題，其中最突出的要數(shù)功耗。Valence工程師聲稱，他們已制作了一種產(chǎn)品，其功耗大大低于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品。



可否用CMOS來(lái)制作？


　　在Valence推出VS7001之前，GPS射頻部件是用傳統(tǒng)的雙極或BiCMOS工藝制作的，而基帶IC全部用純CMOS工藝制作。工藝上的不連貫性，使設(shè)計(jì)師難以實(shí)現(xiàn)單芯片解決方案。 VS7001是用純、深亞微米級(jí)CMOS工藝設(shè)計(jì)的，主要優(yōu)點(diǎn)是：低成本、低功耗、高性能、易于和流行的基帶器件集成在一起。RF組件的總功耗僅為27mW。 7001還能省去某些重要組件。例如，當(dāng)前的眾多芯片組需用表面聲波(SAW)一類RF濾波器衰減噪聲。這樣的組件體積大、價(jià)格高。其它類型的濾波器則要配置外部元件，占用了寶貴的電路板空間。而對(duì)7001，唯一不可缺少的重要組件是天線和滿足不同頻率所要求的晶振(見(jiàn)圖3)。 “最近，有關(guān)CMOS的議論很多，”Valence人士指出：“主要集中在它是否能批量地生產(chǎn)；是否能競(jìng)爭(zhēng)過(guò)雙極性同類產(chǎn)品。我們認(rèn)為，CMOS定能擔(dān)當(dāng)起這一重任。”


摘自《電子產(chǎn)品世界》譯自《Portable Design》