潘未莊，陳石平，牛明超

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510656)

0 引 言

2012年12月27日中國(guó)政府向全球宣布，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)即日起正式向亞太地區(qū)免費(fèi)提供高質(zhì)量全天候的導(dǎo)航、定位、授時(shí)和測(cè)速服務(wù)[1]。北斗系統(tǒng)是我國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，計(jì)劃2020年全面建成，和美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)、歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo)被全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際委員會(huì)(ICG)確定為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

我國(guó)正加快北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，對(duì)于涉及國(guó)家經(jīng)濟(jì)、公共安全的重要行業(yè)領(lǐng)域采用逐步過(guò)渡到北斗衛(wèi)星導(dǎo)航兼容其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)體制。國(guó)外企業(yè)利用其在GPS領(lǐng)域中積累的技術(shù)、產(chǎn)品和品牌等優(yōu)勢(shì)，競(jìng)相搶奪中國(guó)市場(chǎng)[2]。要在較短時(shí)間內(nèi)完成北斗在國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全領(lǐng)域的推廣應(yīng)用和在大眾市場(chǎng)的迅速推廣，首要是設(shè)計(jì)出擁有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的接收機(jī)芯片[3]；其次是快速推出管腳尺寸兼容、接口協(xié)議兼容、功耗相當(dāng)、價(jià)格適中的北斗模塊，原位替換GPS模塊。

1 國(guó)外GPS芯片發(fā)展概況

GPS模塊是伴隨GPS芯片的發(fā)展而壯大起來(lái)的。芯片是GPS模塊的關(guān)鍵部分之一，芯片的優(yōu)劣在很大程度上決定了GPS產(chǎn)品的性能。典型的GPS模塊[4]框圖如圖1所示。

圖1 GPS模塊硬件框圖

LNA檢測(cè)和處理GPS射頻信號(hào)，RF前端將GHz的衛(wèi)星信號(hào)下變頻到數(shù)字電路能處理的中頻；GPS引擎用于處理GPS中頻信號(hào)，ROM和Flash存放嵌入式GPS軟件代碼，與GPS引擎配合搜索和跟蹤GPS衛(wèi)星信號(hào)，CPU由此求解出用戶(hù)坐標(biāo)和速度。

GPS模塊可劃分為RF單元、引擎單元和CPU處理單元三個(gè)部分，GPS芯片發(fā)展就是這三個(gè)單元融合的過(guò)程。

第一代：20世紀(jì)90年代，3段式設(shè)計(jì)，集成度低，三部分電路都是分立芯片，如圖1所示中各個(gè)模塊所示；

第二代：20世紀(jì)末，2段式設(shè)計(jì)，LNA、濾波器、混頻器、頻率合成器及振蕩器等整合在一塊RF芯片；基帶處理則整合了引擎、CPU、內(nèi)存、電源管理及時(shí)鐘等[5]；如圖1所示中虛線所示。

第三代：21世紀(jì)初，SOC設(shè)計(jì)，從RF到數(shù)字基帶處理都集成到單個(gè)芯片[6]上，僅需要簡(jiǎn)單的外圍器件就能完成GPS模塊設(shè)計(jì)，并整合了更多功能，如圖1所示。

目前國(guó)外正在研發(fā)第四代GPS芯片，向小尺寸、高靈敏度、低功耗、多模(兼容Galileo等導(dǎo)航系統(tǒng))、A-GPS方向發(fā)展，與多種應(yīng)用高度整合，如圖1外框所示；軟件處理正朝弱信號(hào)捕獲、高動(dòng)態(tài)、室內(nèi)定位等方向發(fā)展，終端產(chǎn)品體積日趨輕薄短小。

北斗模塊專(zhuān)用芯片，主要包括射頻和基帶信號(hào)處理芯片，構(gòu)成了北斗模塊的核心部件。目前中國(guó)大陸約10家企業(yè)具備北斗芯片和模塊設(shè)計(jì)研發(fā)能力。

國(guó)內(nèi)定位模塊經(jīng)歷三個(gè)主要發(fā)展階段：全部進(jìn)口，逐步實(shí)現(xiàn)部分自主設(shè)計(jì)，最終達(dá)到整機(jī)自主集成設(shè)計(jì)。國(guó)產(chǎn)北斗芯片架構(gòu)也經(jīng)歷伴隨這三個(gè)主要發(fā)展階段：

第一階段：國(guó)外商業(yè)射頻芯片+FPGA+通用處理器；芯片設(shè)計(jì)處于原型樣機(jī)階段，北斗模塊體積、功耗和成本奇高，只能用于特定的行業(yè)用戶(hù)，無(wú)法大規(guī)模商用[7]；

第二階段：國(guó)產(chǎn)射頻芯片+國(guó)產(chǎn)引擎+通用處理器；與GPS第二代芯片類(lèi)似[8]；

第三階段：國(guó)產(chǎn)射頻芯片+國(guó)產(chǎn)基帶處理器；與GPS第三代芯片類(lèi)似。

北斗最大的優(yōu)勢(shì)在于自主產(chǎn)權(quán)。國(guó)外企業(yè)無(wú)法獲得北斗導(dǎo)航定位的關(guān)鍵算法和技術(shù)參數(shù)，客觀上構(gòu)成了對(duì)外資企業(yè)的技術(shù)壁壘，期望國(guó)外能提供相關(guān)的核心芯片，既不現(xiàn)實(shí)也相當(dāng)于把核心技術(shù)主導(dǎo)權(quán)拱手相讓。因此北斗核心技術(shù)如芯片以及核心算法只能自主研發(fā)。

目前國(guó)內(nèi)有幾家企業(yè)已涉足北斗射頻芯片的研發(fā)，如廣州潤(rùn)芯、西安華訊、北京廣嘉等。商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用做得較好是廣州潤(rùn)芯、西安華訊和西南集成等。北斗基帶芯片主要廠商有海格通信、和芯星通、西安華訊、東莞泰斗、東方聯(lián)星等幾家公司。我國(guó)北斗元器件的技術(shù)水平已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自主集成設(shè)計(jì)。目前國(guó)內(nèi)北斗多模解決方案仍主要基于射頻+基帶+應(yīng)用處理器的解決方案，已經(jīng)出現(xiàn)基帶內(nèi)集成處理器的ASIC方案。伴隨北斗系統(tǒng)逐步完善，國(guó)內(nèi)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)的芯片在性能上與國(guó)外產(chǎn)品有差距逐漸縮小。合眾思?jí)训腢GB-2PT模塊雖然靈敏度差些，但199元的價(jià)格已經(jīng)和GPS模塊相當(dāng)；中國(guó)臺(tái)灣企業(yè)采用聯(lián)發(fā)科的MT3332/3333芯片也設(shè)計(jì)出北斗/GPS模塊。

2 北斗/GPS定位模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

北斗要擴(kuò)展到民用領(lǐng)域與GPS全面競(jìng)爭(zhēng)，不可避免要兼容GPS。采用北斗模塊代替原來(lái)GPS模塊，必須不影響用戶(hù)體驗(yàn)，不改變?cè)瓉?lái)的使用習(xí)慣，即定位模塊的升級(jí)替換對(duì)用戶(hù)而言是透明的。這要求北斗模塊在物理尺寸、接口協(xié)議等方面必須兼容GPS模塊，功耗和成本也要和GPS模塊相當(dāng)才能具備競(jìng)爭(zhēng)力。在考察北斗芯片主要供應(yīng)商的技術(shù)水平、供貨情況后，確定北斗模塊采用2段式架構(gòu)，詳細(xì)設(shè)計(jì)如下。

1)北斗模塊框圖

圖2 北斗模塊框圖

北斗模塊主要由北斗(B1)/GPS(L1)射頻前端芯片和基帶處理芯片組成，衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)由B1L1有源天線內(nèi)部LNA放大，通過(guò)B1L1射頻前端將衛(wèi)星信號(hào)變換至適合于AD采樣的中頻信號(hào)；射頻前端內(nèi)部AD采樣單元將模擬中頻信號(hào)數(shù)字化輸出到基帶芯片,基帶芯片完成衛(wèi)星信號(hào)捕獲、環(huán)路跟蹤、位同步、幀同步、測(cè)量、電文提取、定位解算等，最終輸出定位信息。北斗模塊選擇高集成度全貼片的元器件，芯片數(shù)量極少，降低了硬件設(shè)計(jì)要求。

2)射頻前端設(shè)計(jì)

B1L1射頻前端芯片選用潤(rùn)芯公司集成了B1L1頻點(diǎn)的射頻前端芯片RX3007[9].RX3007采用0.13 μm RFCMOS工藝，一次變頻低中頻接收架構(gòu)，并行雙通道變頻處理，集成度高,外圍電路元器件很少。很多北斗模塊的射頻前端采用2片max2769芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，每片max2769電流功耗20 mA，兩片共計(jì)40 mA，而RX3007功耗僅28 mA，大大節(jié)省了功耗，并顯著地減少模塊體積、并且可以大大降低成本。

3)基帶處理設(shè)計(jì)

基帶芯片選用海格的北斗/GPS數(shù)字基帶系統(tǒng)級(jí)芯片HGBD102.HGBD102采用0.13 μm CMOS工藝，內(nèi)置北斗/GPS雙模捕獲引擎和跟蹤通道，2位數(shù)字中頻接口，無(wú)縫匹配主流的射頻前端芯片；捕獲跟蹤靈敏度分別為-143 dBm和-157 dBm，性能達(dá)到GPS第三代芯片水平；輸出數(shù)據(jù)兼容NMEA0183協(xié)議，內(nèi)嵌處理器可完成系統(tǒng)狀態(tài)管理、通道及相關(guān)資源管理與控制、接收信號(hào)處理與測(cè)量解算，標(biāo)準(zhǔn)化的導(dǎo)航解算軟件用于搜索和跟蹤衛(wèi)星信號(hào)，并求解用戶(hù)坐標(biāo)和速度。軟件已經(jīng)固化到Flash芯片上，不需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和調(diào)試。模塊預(yù)留軟件升級(jí)接口，方便更新程序。

4)組合導(dǎo)航軟件設(shè)計(jì)

組合導(dǎo)航軟件完成北斗模塊軟件系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)融合解算。圖3示出了數(shù)據(jù)處理流程。

圖3 北斗模塊軟件流程圖

模塊上電后，由初始化單元根據(jù)上次定位情況，確定進(jìn)入熱啟動(dòng)、溫啟動(dòng)還是冷啟動(dòng)的選星模式；衛(wèi)星信號(hào)捕獲單元根據(jù)設(shè)置參數(shù)，對(duì)北斗/GPS衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行失鎖重捕或再捕；捕獲成功后就進(jìn)入信號(hào)跟蹤流程，其中主要任務(wù)有環(huán)路控制、位同步、幀同步以及電文接收；GPS和北斗是兩個(gè)獨(dú)立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，系統(tǒng)之間存在著坐標(biāo)、時(shí)間、星歷、偽距觀測(cè)等差異，因此，數(shù)據(jù)融合單元完成時(shí)間轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、偽距組合、自主完備性監(jiān)測(cè)(RAIM)等處理；最后導(dǎo)航解算單元完成位置、速度、時(shí)間等信息的解算和輸出。

組合導(dǎo)航軟件的各個(gè)單元模塊作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)的子任務(wù)，由RTOS統(tǒng)一進(jìn)行管理。

5)時(shí)鐘管理

時(shí)鐘選擇16.368 MHz的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(TCXO)，提供給射頻前端和基帶芯片。HGBD102本身集成實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)需要的32.678 kHz晶體，因此外部使用超級(jí)電容作為備份電源來(lái)保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)熱啟動(dòng)功能。

6)性能對(duì)比測(cè)試

靜態(tài)測(cè)試和跑車(chē)測(cè)試圖形數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。

圖4 兩次跑車(chē)路測(cè)定位結(jié)果地圖上的軌跡

圖5 GPS模塊高程和水平誤差

在相同的條件下，以GPS模塊為參考基準(zhǔn)，對(duì)北斗模塊在定位精度、測(cè)速精度、捕獲和跟蹤靈敏度、熱啟動(dòng)時(shí)間、冷啟動(dòng)時(shí)間和功耗等方面進(jìn)行測(cè)試。從圖中可以看到，高程精度和GPS的誤差可以忽略不計(jì)，水平精度與GPS誤差在8 m范圍。目前北斗系統(tǒng)還在逐步建設(shè)完善階段，北斗衛(wèi)星數(shù)量少于GPS，單北斗定位模式在某些條件下比GPS模塊性能稍差，但在組合定位模式下，性能與GPS模塊相當(dāng)。

3 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)的北斗模塊在物理尺寸、管腳封裝和接口協(xié)議等方面兼容主流的GPS模塊，功能、定位精度、測(cè)速精度等關(guān)鍵指標(biāo)接近主流GPS模塊水平，已成功應(yīng)用到某交通運(yùn)輸項(xiàng)目中[10]。

[1]中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件公開(kāi)服務(wù)信號(hào) B1I(1.0 版)[S].北京:2012.

[2]李 映.GPS芯片：國(guó)外廠商加緊圈地 國(guó)內(nèi)廠商攻守有道[N].中國(guó)電子報(bào),2008-04-08(1).

[3]章從福.國(guó)內(nèi)第一塊高性能GPS芯片在西安高新區(qū)問(wèn)世[J].半導(dǎo)體信息,2005(5):2-3.

[4]羅清岳.GPS芯片解決方案[N].電子資訊時(shí)報(bào),2006-01-23(3).

[5]何文波.基于華迅芯片組的GPS接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證[D].西安:西安電子科技大學(xué),2009.

[6]嚴(yán) 全.基于MTK平臺(tái)的GPS定位手機(jī)研究與軟件設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2012.

[7]孫洪亮.基于FPGA的GPS芯片驗(yàn)證與實(shí)現(xiàn)研究[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué),2009.

[8]張 波.基于ARM的GPS接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[D].天津:河北工業(yè)大學(xué),2011.

[9]廣州潤(rùn)芯信息技術(shù)有限公司.RX3007C產(chǎn)品規(guī)格書(shū),北斗 B1、GPS L1雙模雙通道射頻芯片[R].2013.

[10]潘未莊,陳石平.采用北斗模塊的車(chē)載監(jiān)控終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試,2013(16):45-47.