世界主流GPS芯片介绍

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。

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。

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。

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。