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全球定位系統(tǒng)，更多地稱為GPS，只要設計得當，價格合理，確實會給全世界帶來福音。目前GPS最常見的應用是汽車行業(yè)。很多新型轎車都配備了內置的導航系統(tǒng)，GPS正是這一系統(tǒng)的心臟。
圖1 SiRFstar 1 代表了主機基GPS體系結構
圖2 Trimble和InHand聯(lián)合研發(fā)的Fingertip基準設計
GPS第二種應用是Enhanced 911(E-911)。E-911能讓有關管理部門知道蜂窩電話呼叫來自何處。比如，一個呼叫者在沙漠高速公路某地處于困境，可通過它來跟蹤呼叫的位置，從而讓管理部門知道呼叫來自什么地方。另一個例子是在森林中迷失方向的徒步旅行者。如果打一個電話到E-911，管理部門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為，E-911是將GPS推向大規(guī)模應用的驅動力。
“業(yè)界顯然已認識到定位的價值，”Trimble Navigation有關人士指出：“我們要理順定位與各種服務和需求之間的關系，尤其要根據(jù)具體的實際情況。切實可行的做法是從定位與通信相結合著手，以便迅速發(fā)現(xiàn)需要幫助的人員的位置。
十分明顯，定位應盡可能地普及，盡管讓設備具有方位感的想法由來已久，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。GPS甚至還未達到通信那樣的普及程度。
路在何方？
實現(xiàn)E-911有種種途徑。它可集成在手機中，也可成為網絡(基礎設施)的一部分，或采用混合的解決方案。
若采用網絡基解決方案，位置是在網絡中計算的，用不著改換手機，就是說能使用傳統(tǒng)的手機。但絕大部分投資用于改造基礎設施。手機方案則要求所有消費者使用新的手機。
在GPS業(yè)界，供應商們可謂是八仙過海，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)中實現(xiàn)GPS也有兩種不同的方案。一是完整的、獨立的GPS子系統(tǒng)，由子系統(tǒng)本身來完成全部處理工作。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)模生產潛力的市場涉及四個領域：蜂窩電話、汽車、移動電腦(PDA型平臺)和獨立GPS子系統(tǒng)。而生產規(guī)模最大的要數(shù)汽車行業(yè)，尤其在歐洲。但不久的未來，規(guī)模領先的可能是蜂窩電話。獨立GPS會采用其它嵌入式器件的形式，但GPS是它的主要功能。例如，它會以手表或數(shù)碼相機的形式出現(xiàn)，但GPS是它的主要賣點，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，再根據(jù)這些信息，通過一類常用的篩選程序計算出位置。當然把GPS集成在蜂窩電話或汽車一類現(xiàn)有便攜式平臺時，問題就復雜化了。由于不僅要處理GPS，而且還要處理GPS外平臺的其它功能，使復雜度大大增加。
SiRF Technologies是一家兼?zhèn)溆布蛙浖M件的公司。該公司對軟件獨具慧眼。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�！�
三個要素
按其基本術語劃分，GPS技術由以下三個要素組成。首先，是從衛(wèi)星發(fā)送下來的約1.5GHz高頻(RF)信號。RF接收機部分接收信號、完成濾波和下變頻。然后基帶處理器用該信息來計算位置。
第二個要素是基帶處理器，它常常有一個專用的DSP，是一個硬接線的信號處理引擎。也有設計師借助于標準DSP，但其性能和功能通常達不到計算位置所需的水平。在某些場合，用第二個處理器來協(xié)助DSP。大量軟件是在第二個處理器執(zhí)行的。第三個要素是軟件。
就SiRF產品來說，公司有兩類產品，每類產品都包括RF芯片和基帶芯片。差別主要表現(xiàn)在基帶一方。一類產品，SiRFstarⅠ，只有GPS DSP，沒有其它的CPU或存儲器。因此，該芯片組要增添外部CPU和存儲器來完成全部GPS計算(見圖1)。
第二類SiRF產品，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存儲器。差分GPS提高了準確度，從約15~20m精確到1~5m。稱為寬域擴展系統(tǒng)(WAAS)的差分系統(tǒng)是美國的FAA提出的。FAA正在研發(fā)這一系統(tǒng)，利用GPS為飛機導航。但這一技術也可為標準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。由于這是一個計算強度極大的過程，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。采用最先進的技術，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用作獨立的功能，就是說沒有共享的資源，包括存儲器和CPU，那末成批生產的材料清單(BOM)接近30美元。
然而，蜂窩電話市場對成本是最為敏感的。因此，為了符合成本的期望值，系統(tǒng)的體系結構是截然不同的。例如，蜂窩電話的基帶可與GPS的基帶集成在一起，來減少存儲器的容量。
內部干擾
當將GPS嵌入在現(xiàn)有系統(tǒng)時，特別是已存在RF信號的系統(tǒng)時，設計師應意識到潛在的干擾問題。除了蜂窩信號，設計師還要處理藍牙和/或802.11信號。
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RF了解甚少，則會困難重重，這里有兩個問題。首先是濾波，不能讓一個RF系統(tǒng)的噪聲干擾另一個RF系統(tǒng)，其次是屏蔽，要將系統(tǒng)隔離開來。倘若處理恰當，而核心系統(tǒng)在這樣環(huán)境中又足夠的健壯，那末就會萬事大吉。無論如何要小心翼翼，RF設計畢竟與標準數(shù)字系統(tǒng)設計不是一回事�！�
一項有待改進的基本功能是室內使用GPS系統(tǒng)的能力，在室內，衛(wèi)星缺乏清晰的視線，因此，SiRF人士認為：“算法和技術都要有重大突破，以改進GPS在室內環(huán)境中的性能�！�
除了算法，還希望從衛(wèi)星處“看到”更強的信號。因此，研發(fā)一種能充分利用衛(wèi)星信號的接收機勢在必行。
盡管目前流行的眾多GPS解決方案工作于“主機基”體系結構，但也有人認為，這未必是最佳的方案。按照T rimble人士的看法：“主機基方案現(xiàn)實的問題在于，GPS是高度中斷驅動的任務，基本上完全控制了CPU，根本無法完成同時存在的其它任何應用。” 相比之下，Trimble產品能在任一種體系結構中工作。他們認為：“在某些特定的場合，即客戶的應用規(guī)模不大，且能經得起考驗，主機基還能勝任。但我們發(fā)現(xiàn)，不論是那一種實際規(guī)模的應用，處理器是專門用來解決GPS解決方案的�！� GPS應用的高中斷率是采用專用處理器的主要原因。GPS是要求即時響應的，即在請求服務后，應立即進行服務，否則將不能鎖定衛(wèi)星，要求系統(tǒng)對衛(wèi)星重新采集數(shù)據(jù)。除了高中斷率，它還是需要實時響應的。
在主機基解決方案中，Trimble芯片組需用比其它任何應用高出2至4MIPS的處理器。最新型號ARM基處理器符合這一要求。它還需約90KB RAM和256KB ROM。他們進一步指出：“我們寧愿選擇具有現(xiàn)成標準開發(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，保證無縫的集成。”Trimble最近研發(fā)一種混合主機基產品，它既不是高度中斷驅動的，也無需對例行服務作出立即的響應。這樣的混合產品內置一個小型RISC控制器，其功能足以完成獨有的GPS跟蹤和數(shù)據(jù)采集算法。然后再將基本測量數(shù)據(jù)提供給環(huán)境中的其它設備。 公司聲稱，在某些場合，在沒有來自主機環(huán)境的任何響應時，該芯片組可以連續(xù)運作幾個小時。但在實際上，一般是每隔幾秒種就要進行一次通信。
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�；鶞势脚_是Trimble的M-Loc GPS模塊和First GPS軟件與InHand的BatterySmart系統(tǒng)軟件兩者的結合，簡化了帶GPS定位功能的手持式設備的構建過程(見圖2)。平臺是由執(zhí)行Windows CE3.0的Intel Strong ARM處理器驅動的。衍生的產品涉及啟用GPS的蜂窩電話、尋呼機、PDA、膝上電腦、智能電話、以及數(shù)碼相機�！拔覀兞D排除種種障礙。” InHand有關人士指出：“設計師構建啟用GPS的系統(tǒng)時，再也不用顧及GPS、手持式電腦板、或軟件是如何設計的。他們只需一個Fingertip平臺，加上電池、顯示器和機殼，再編寫自己的應用軟件。” M-Loc模塊是保證產品設計成功的關鍵部件。該部件的尺寸為25mm×25mm，耗電35mW。 Time-to-first-fix(TTFF)是一個進行了某些改進的性能，是符合E-911標準所必須的。 “在以前，TTFF存在的理由并不充分，”Valence Semiconductor有關人士聲稱：“在很多場合，TTFF超過30秒。現(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，兩者是互相關聯(lián)的。信號電平越高，采集速度也越快，從而TTFF才能越小�！膘`敏度表示GPS跟蹤并計算出所要求的測量值的信號強度。 芯片組供應商和系統(tǒng)集成商都在不斷提高集成度來解決一系列問題，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品，其功耗大大低于競爭對手的產品。
可否用CMOS來制作？
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，使設計師難以實現(xiàn)單芯片解決方案。 VS7001是用純、深亞微米級CMOS工藝設計的，主要優(yōu)點是：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(見圖3)。 “最近，有關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；是否能競爭過雙極性同類產品。我們認為，CMOS定能擔當起這一重任�！�
摘自《電子產品世界》譯自《Portable Design》
