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全球定位系统，更多地称为GPS，只要设计得当，价格合理，确实会给全世界带来福音。目前GPS最常见的应用是汽车行业。很多新型轿车都配备了内置的导航系统，GPS正是这一系统的心脏。
图1 SiRFstar 1 代表了主机基GPS体系结构
图2 Trimble和InHand联合研发的Fingertip基准设计
GPS第二种应用是Enhanced 911(E-911)。E-911能让有关管理部门知道蜂窝电话呼叫来自何处。比如，一个呼叫者在沙漠高速公路某地处于困境，可通过它来跟踪呼叫的位置，从而让管理部门知道呼叫来自什么地方。另一个例子是在森林中迷失方向的徒步旅行者。如果打一个电话到E-911，管理部门即能确定呼叫者的正确位置。该行业的绝大部分专家一致认为，E-911是将GPS推向大规模应用的驱动力。
“业界显然已认识到定位的价值，”Trimble Navigation有关人士指出：“我们要理顺定位与各种服务和需求之间的关系，尤其要根据具体的实际情况。切实可行的做法是从定位与通信相结合着手，以便迅速发现需要帮助的人员的位置。
十分明显，定位应尽可能地普及，尽管让设备具有方位感的想法由来已久，但由于GPS还不能在各处工作，因此至少在目前，这一想法还不能成为现实。GPS甚至还未达到通信那样的普及程度。
路在何方？
实现E-911有种种途径。它可集成在手机中，也可成为网络(基础设施)的一部分，或采用混合的解决方案。
若采用网络基解决方案，位置是在网络中计算的，用不着改换手机，就是说能使用传统的手机。但绝大部分投资用于改造基础设施。手机方案则要求所有消费者使用新的手机。
在GPS业界，供应商们可谓是八仙过海，各显其能。有专供硬件的，有专供软件的，也有两者兼顾的。系统中实现GPS也有两种不同的方案。一是完整的、独立的GPS子系统，由子系统本身来完成全部处理工作。二是依赖于系统中主微处理器的GPS子系统。
从目前看，GPS极具规模生产潜力的市场涉及四个领域：蜂窝电话、汽车、移动电脑(PDA型平台)和独立GPS子系统。而生产规模最大的要数汽车行业，尤其在欧洲。但不久的未来，规模领先的可能是蜂窝电话。独立GPS会采用其它嵌入式器件的形式，但GPS是它的主要功能。例如，它会以手表或数码相机的形式出现，但GPS是它的主要卖点，其它外围功能是第二位的。
GPS核心软件的主要功能是从GPS卫星取得信号，再根据这些信息，通过一类常用的筛选程序计算出位置。当然把GPS集成在蜂窝电话或汽车一类现有便携式平台时，问题就复杂化了。由于不仅要处理GPS，而且还要处理GPS外平台的其它功能，使复杂度大大增加。
SiRF Technologies是一家兼备硬件和软件组件的公司。该公司对软件独具慧眼。据该公司的人士透露：“软件是GPS的最主要部分。在SiRF里，软件工程师比硬件工程师还要多。”
三个要素
按其基本术语划分，GPS技术由以下三个要素组成。首先，是从卫星发送下来的约1.5GHz高频(RF)信号。RF接收机部分接收信号、完成滤波和下变频。然后基带处理器用该信息来计算位置。
第二个要素是基带处理器，它常常有一个专用的DSP，是一个硬接线的信号处理引擎。也有设计师借助于标准DSP，但其性能和功能通常达不到计算位置所需的水平。在某些场合，用第二个处理器来协助DSP。大量软件是在第二个处理器执行的。第三个要素是软件。
就SiRF产品来说，公司有两类产品，每类产品都包括RF芯片和基带芯片。差别主要表现在基带一方。一类产品，SiRFstarⅠ，只有GPS DSP，没有其它的CPU或存储器。因此，该芯片组要增添外部CPU和存储器来完成全部GPS计算(见图1)。
第二类SiRF产品，SiRFstarⅡ，备有附加的处理器(50MHz ARM7)，有足够的性能提供差分GPS。板上还有1Mb存储器。差分GPS提高了准确度，从约15~20m精确到1~5m。称为宽域扩展系统(WAAS)的差分系统是美国的FAA提出的。FAA正在研发这一系统，利用GPS为飞机导航。但这一技术也可为标准GPS提供者所用。
SiRFstarⅡ还备有跟踪卫星的专用引擎。原先，跟踪卫星是由系统主处理器上执行的软件完成的。由于这是一个计算强度极大的过程，所以需添加专用引擎以确保最佳的性能。
如果采用传统的制作工艺，完整的GPS解决方案占用约1in2的空间。采用最先进的技术，诸如叠层式芯片，可大大地减少所占用的空间。
上述解决方案的总成本取决于所集成的器件数量。要是GPS用作独立的功能，就是说没有共享的资源，包括存储器和CPU，那末成批生产的材料清单(BOM)接近30美元。
然而，蜂窝电话市场对成本是最为敏感的。因此，为了符合成本的期望值，系统的体系结构是截然不同的。例如，蜂窝电话的基带可与GPS的基带集成在一起，来减少存储器的容量。
内部干扰
当将GPS嵌入在现有系统时，特别是已存在RF信号的系统时，设计师应意识到潜在的干扰问题。除了蜂窝信号，设计师还要处理蓝牙和/或802.11信号。
因此SiRF Technology人士指出：“要是你十分熟悉RF，这难度并不大。但如果你对RF了解甚少，则会困难重重，这里有两个问题。首先是滤波，不能让一个RF系统的噪声干扰另一个RF系统，其次是屏蔽，要将系统隔离开来。倘若处理恰当，而核心系统在这样环境中又足够的健壮，那末就会万事大吉。无论如何要小心翼翼，RF设计毕竟与标准数字系统设计不是一回事。”
一项有待改进的基本功能是室内使用GPS系统的能力，在室内，卫星缺乏清晰的视线，因此，SiRF人士认为：“算法和技术都要有重大突破，以改进GPS在室内环境中的性能。”
除了算法，还希望从卫星处“看到”更强的信号。因此，研发一种能充分利用卫星信号的接收机势在必行。
尽管目前流行的众多GPS解决方案工作于“主机基”体系结构，但也有人认为，这未必是最佳的方案。按照T rimble人士的看法：“主机基方案现实的问题在于，GPS是高度中断驱动的任务，基本上完全控制了CPU，根本无法完成同时存在的其它任何应用。” 相比之下，Trimble产品能在任一种体系结构中工作。他们认为：“在某些特定的场合，即客户的应用规模不大，且能经得起考验，主机基还能胜任。但我们发现，不论是那一种实际规模的应用，处理器是专门用来解决GPS解决方案的。” GPS应用的高中断率是采用专用处理器的主要原因。GPS是要求即时响应的，即在请求服务后，应立即进行服务，否则将不能锁定卫星，要求系统对卫星重新采集数据。除了高中断率，它还是需要实时响应的。
在主机基解决方案中，Trimble芯片组需用比其它任何应用高出2至4MIPS的处理器。最新型号ARM基处理器符合这一要求。它还需约90KB RAM和256KB ROM。他们进一步指出：“我们宁愿选择具有现成标准开发工具的操作系统，这样Trimble和系统集成商都能采用相同的套装工具，保证无缝的集成。”Trimble最近研发一种混合主机基产品，它既不是高度中断驱动的，也无需对例行服务作出立即的响应。这样的混合产品内置一个小型RISC控制器，其功能足以完成独有的GPS跟踪和数据采集算法。然后再将基本测量数据提供给环境中的其它设备。 公司声称，在某些场合，在没有来自主机环境的任何响应时，该芯片组可以连续运作几个小时。但在实际上，一般是每隔几秒种就要进行一次通信。
GPS in-hand
Trimble最近联合InHand Electronics，共同研发了称为Fingertip的手持式平台。基准平台是Trimble的M-Loc GPS模块和First GPS软件与InHand的BatterySmart系统软件两者的结合，简化了带GPS定位功能的手持式设备的构建过程(见图2)。平台是由执行Windows CE3.0的Intel Strong ARM处理器驱动的。衍生的产品涉及启用GPS的蜂窝电话、寻呼机、PDA、膝上电脑、智能电话、以及数码相机。“我们力图排除种种障碍。” InHand有关人士指出：“设计师构建启用GPS的系统时，再也不用顾及GPS、手持式电脑板、或软件是如何设计的。他们只需一个Fingertip平台，加上电池、显示器和机壳，再编写自己的应用软件。” M-Loc模块是保证产品设计成功的关键部件。该部件的尺寸为25mm×25mm，耗电35mW。 Time-to-first-fix(TTFF)是一个进行了某些改进的性能，是符合E-911标准所必须的。 “在以前，TTFF存在的理由并不充分，”Valence Semiconductor有关人士声称：“在很多场合，TTFF超过30秒。现在，我们正在考虑单位数(single-digit)的要求。而且，灵敏度也大幅度提高了，两者是互相关联的。信号电平越高，采集速度也越快，从而TTFF才能越小。”灵敏度表示GPS跟踪并计算出所要求的测量值的信号强度。 芯片组供应商和系统集成商都在不断提高集成度来解决一系列问题，其中最突出的要数功耗。Valence工程师声称，他们已制作了一种产品，其功耗大大低于竞争对手的产品。
可否用CMOS来制作？
在Valence推出VS7001之前，GPS射频部件是用传统的双极或BiCMOS工艺制作的，而基带IC全部用纯CMOS工艺制作。工艺上的不连贯性，使设计师难以实现单芯片解决方案。 VS7001是用纯、深亚微米级CMOS工艺设计的，主要优点是：低成本、低功耗、高性能、易于和流行的基带器件集成在一起。RF组件的总功耗仅为27mW。 7001还能省去某些重要组件。例如，当前的众多芯片组需用表面声波(SAW)一类RF滤波器衰减噪声。这样的组件体积大、价格高。其它类型的滤波器则要配置外部元件，占用了宝贵的电路板空间。而对7001，唯一不可缺少的重要组件是天线和满足不同频率所要求的晶振(见图3)。 “最近，有关CMOS的议论很多，”Valence人士指出：“主要集中在它是否能批量地生产；是否能竞争过双极性同类产品。我们认为，CMOS定能担当起这一重任。”
摘自《电子产品世界》译自《Portable Design》
