车载GPS系统分析与设计

　　准确性（Position accuracy）、灵敏度（Sensitivity）、第一次定位时间（Time to First Fix, TTFF）及通道数量（Channel Number）是GPS接收器的性能方面的重要指标。同时实现这四个方面的要求必然会在处理器性能、相关器信道数量、内存容量及接口速度等提出极高的要求，大幅提高产品成本。因此，明智的做法是在四者之间做出取舍，以迎合市场对性能和价格的多方面要求。

　　ST的STA2056以高集成度的方案提供极佳的成本效益。STA2056将GPS接收器架构中的射频及基带整合在一起，这样开发人员就能节省下调校所需精力和时间，使产品上市速度加快。STA2056在基带部分采用ARM7 TDMI为核心，频率高达66MHz；射频部分为主动天线系统，也包含与被动天线连接的接口。除了具有低功耗的优势外，STA2056内建ROM及SRAM内存，因此只需要用到少数的外部组件。STA2056采用小型的QFN-68封装，能有效降低总体物料（BOM）成本和产品尺寸，使相关产品设计更为低价和轻薄短小。

图二　高性价比的GPS接收器架构（以STA2056为例）

　　如果把射频及基带分离，设计的难度会增大，但灵活性也会提高。基带模块还可嵌入Flash内存并支持较丰富的总线接口。ST的STA2058即采用这种架构，非常适用于车辆应用。其整合了32位MCU（ARM7TDMI）和嵌入式闪存模块，支持RTCA-SC159／WAAS／EGNOS等GPS系统。STA2058EX还广泛支持CAN、SPI、UART、I2C、USB等接口，拥有外接内存接口，可以用作远程信息处理服务平台，允许免黏结逻辑（Glueless）而与外部装置（如：GSM/GPRS模块、芯片卡、音频功能DSP）相连。

图三　高灵活性的分立式GPS接收器架构（以STA2058为例）

　　功耗和噪声是常遇到的两个难题。对于GPS接收器来说，功耗的降低和噪声、干扰的抑制即成为系统设计中关键。

　　噪声产生主要由从高频转低频的过程中产生，因此噪声抑制机制必须实施在此环节。例如可通过在射频前端与相关器之间配置适当的电阻器来将SAMP CLK的信号谐波降到最小，以避免其混杂在中频（IF）链路当中，来达成抑制噪音的目的。此外，各单元在电路上的布局和布线也需要进行妥善的规划，因为这些因素也会影响干扰的状况。

　　功耗的主要来源是相关器的运作，因此降低功耗需要能分别控制每个相关器通道；即当不需要启动所有信道的时候，系统能自动调整，仅启动所需的相关器通道。此外，使用备用电池能将电源电压降低，也有助于节省功耗。

　　GPS天线的技术要求

　　GPS系统的性能与天线密切相关。卫星信号的背景噪声一般为-136dBW，为避免干扰，国际电信法规规定卫星传送之信号不得大于-154dBW。如此微弱的GPS信号要求天线必须具有相当高的灵敏度。

　　GPS天线的灵敏度会受到其形状的极大影响。由于GPS的讯号属于圆极化波，所以GPS接收天线也必须采圆极化的工作方式。可用于GPS的天线种类包括片状（Patch）、螺旋式（Helix/Spiral）和平面倒F型天线(PIFA)等，其中Patch及Helix型应用最多。

图四　GPS天线类型

　　平板天线的成本较低，耐用性较强而且制作相对容易，但方向性是其明显的缺点之一。方向性使平板天线要面向天空才能得到较好的接收效果，因此在要应用上会受到极大限制。除此之外，平板天线的精度也不十分稳定，其虽然能顺利接收到正上方的卫星讯号，但若不能获取到低角度的卫星信息，误差也会相对较高。

　　四臂螺旋天线（Quadrifilar Helix Antenna）拥有360度的全线方向接收能力，使天线在任何方向都有3dB的增益，能让GPS接收器能以各种角度摆放，而且能接收到很低角度的卫星信号，这是与平板天线相比的优势所在。此外，Balun电路设计是一种更好的做法，其优点是可有效隔离天线周围的噪音，并容许各种功能的天线并存于极小的空间中而不会互相干扰，这对于对尺寸要求很高的手持设备天线设计十分适合；然而Helix天线与平板天线相比成本较高，是其缺点之一。

　　前瞻性技术1：DR方位推算

　　DR即方位推算（Dead Reckoning）技术，主要用于GPS接收卫星信号有困难的场合。GPS系统需要接收卫星信号来实现定位和导航功能，而在信号不好或信号屏蔽较大的环境中，例如底下室、山洞、隧道、高楼林立的街巷等， GPS系统可能完全无法接受到信号。此时就需要DR的帮助。