CN101446635B - 针对移动设备的超低功耗、低成本的gps芯片构架 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于全球定位***(例如GPS***)的接收机领域，尤其是针对移动设备优化的GPS接收机基带处理芯片领域。本发明提出一种针对移动/手持设备优化的GPS接收机基带处理芯片构架。该构架下GPS基带芯片和外部主控模块及通信模块一起工作。基带处理芯片使用一个简单的控制模块代替复杂而庞大的嵌入式微处理器，完成GPS信号的接收、捕获、跟踪、同步和解调等工作。用户位置等信息由主控微处理器通过各种接口获取基带处理芯片提供的中间解算信息解算获得。此外主控微处理器还负责基带处理芯片的启动和一些特殊情况的控制。主控微处理器和基带处理芯片由一个双口RAM实现同步和交互。同时主控微处理器还可以利用通信模块获得的AGPS辅助信息提高***灵敏度和降低首次定位时间。该构架充分利用了移动/手持设备已有硬件资源，大大减小了GPS芯片的面积和功耗，能够有效简化***设计，降低***功耗和成本。同时改进了基带芯片和主控微处理器的交互，具有控制灵活多样，扩展性强，使用方便，适用面广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及基于全球定位***(例如GPS***)的接收机领域，尤其是应用于手持设备的超低功耗、低成本接收机基带芯片领域。
背景技术
全球卫星定位与导航***，例如全球定位***(GPS)，包括一组发送GPS信号的一个卫星星座(又被称为Navstar卫星)，该GPS信号能被接收机用来确定该接收机的位置。卫星轨道被安排在多个平面内，以便在地球上任何位置都能从至少四颗卫星接收该种信号。更典型的情况是，在地球上绝大多数地方都能从六颗以上卫星接收该种信号。
每一颗GPS卫星所传送的GPS信号都是直接序列扩展频信号。商业上使用的信号与标准定位服务(SPS)有关，而且被称之为粗码(C/A码)的直接序列二相扩展信号，在1575.42MHz的载波下，具有每秒1.023兆码片的速率。伪随机噪声(PN)序列长度是1023个码片，对应于1毫秒的时间周期。每一颗卫星发射不同的PN码(Gold码)，使得信号能够从几颗卫星同时发送，并由一接收机同时接收，相互间几乎无干扰。术语“卫星星号”和这个PN码相关，可以用以标示不同的GPS卫星。
GPS的调制信号是导航电文(又被称为D码)和PN码的组合码。导航电文的速率为每秒50比特。D码的基本单位是一个1500比特的主帧，主帧又分为5个300比特的子帧。其中子帧一包含了标识码，星种数据龄期，卫星时钟修正参数信息。子帧二和子帧三包含了实时的GPS卫星星历(ephemeris)，星历是当前导航定位信息的最主要内容。子帧四和子帧五包含了1-32颗卫星的健康状况，UTC校准信息和电离层修正参数及1-32颗卫星的历书(alamanc)。历书是卫星星历参数的简化子集。其每12.5分钟广播一次，寿命为一周，可延长至2个月。
GPS接收机的主要目标之一是确定PN码的发射时间。术语“PN码发射时间”指GPS卫星PN码到从GPS卫星发射的时间。这是通过将(每一接收信号)本地产生的PN参考信号与接收的信号相比并且“滑动”本地基准直至与接收信号在时间上对齐来完成的。通过称之为“相关”的相乘和积分过程，将这两个信号相互比较。当两个信号在时间上是对齐时，输出的结果为最大。通过这种方法可以使接收机时间和GPS时间同步上。
包含在导航电文中的，与绝对时间信号相关联的周时间(TOW)数据使GPS接收机能够精确地和可靠地确定本地GPS时间。TOW数据由所有的卫星按6秒钟的时间间隔传送。GPS接收机可以使用绝对时间信号以准确地确定位置。一旦知道了位置所在，可以通过利用接收机和卫星之间的，可计算的传播延迟来补偿接收机从卫星导航电文中得到的明确的时间得到。
GPS信号所包含的数据的详细信息可以在接口控制文件(InterfaceControl Document)ICD-GPS-200C中找到，该文件于1993年制定，于2003年更新，由Rockwell Internation Corporation出版。
GPS基带处理芯片是GPS接收机的核心，其核心指标为：灵敏度，功耗，首次定位时间TTFF，成本等。对于手持和移动设备而言，功耗和成本是最为关键的两项指标。传统的GPS基带处理芯片主要包含了：捕获通道、跟踪通道、嵌入式微处理器及为其服务的内部总线、片内ROM、片内RAM、片内Flash、实时时钟和输出接口等。其中嵌入式微处理器及片内ROM/Flash占据了相当的芯片面积，而且由于嵌入式微处理的相对复杂性，使得芯片功耗也居高不下。然而传统GPS基带处理芯片不是针对移动和手持应用设计，因此这两方面的要求也不是非常迫切。新一代的GPS基带处理芯片已经开始着手改进这两个方面的性能，例如引入常用的功耗管理，自适应变换工作频率特别是搜索通道的频率，脉冲式的搜索方式，突发式的跟踪维持等等，取得了良好的效果，有些产品可以实现70mW以下的平均功率。但是这类芯片往往只是从局限于基带处理芯片本身，甚至往往只是捕获模块，而没有从***整体的角度考虑，功耗降低步明显。而且随着设计复杂性大大增加，厂家往往只能利用提高工艺的方式实现芯片面积的减小，使得芯片成本居高不下。
手持移动设备往往拥有一个相对强劲的主微处理器，其运算和存储资源相对丰富，甚至通信模块中的晶振精度都相对较高，如何充分利用这些已有资源，降低整体成本和功耗是一个GPS基带芯片构架的一个重要研究方向。
手持/移动设备(特别是手机设备)往往拥有一个通信模块，利用额外提供的辅助信息，如AGPS信息即可以提高GPS的定位速度和灵敏度。利用何种结构使得GPS结构能够更有效地接收和利用辅助信息提高GPS性能也是GPS基带芯片构架乃至手持/移动设备构架的一个重要研究方向。已经有些厂家做出了尝试，例如有的产品将GPS基带处理作为一个子模块融合进通信基带中，有成本低，***应用简单等优点，同时也有着GPS相关性能不高，不能搭配第三方的处理芯片等缺点。
发明内容
本发明提出一种针对移动/手持设备优化的GPS接收机基带处理芯片构架。
该构架的基带芯片和外部主控模块及通信模块一起工作。基带处理芯片使用一个简单的控制模块代替复杂而庞大的嵌入式微处理器，完成GPS信号的接收、捕获、跟踪、同步和解调等工作。用户位置等信息由主控微处理器通过各种接口获取基带处理芯片提供的中间解算信息解算获得。此外主控微处理器还负责基带处理芯片的启动和一些特殊情况的控制。主控微处理器和基带处理芯片由一个双口RAM实现同步和交互。同时主控微处理器还可以利用通信模块获得的AGPS辅助信息提高***灵敏度和降低首次定位时间。
该***包含：
一个GPS处理模块，负责信号的接收、捕获、跟踪、同步和导航电文解调；
一个通信模块，负责通信相关的语音，图像，数据等数据流的编解码、调制解调和传输；
一个主控模块，包含一主控微处理器，负责整个***的控制以及上层应用，对GPS基带处理芯片进行控制以及用户坐标的解算。
进一步地，所述GPS处理模块包含了一个高精度的实时时钟。
进一步地，所述实时时钟能够被接收机计算出的UTC时间校准，并能被接收机随时读取，同时该接收机能够通过外部电池供电保证接收机掉电后可以继续工作。
进一步地，所述GPS处理模块包含了一个双口RAM。
进一步地，所述双口RAM中存储GPS处理模块的全局控制变量、各通道控制变量和中间解算信息三部分内容。
进一步地，主控模块通过修改所述双口RAM中的全局控制变量实现和各通道控制变量实现对GPS基带处理芯片的控制。
进一步地，主控模块读取所述双口RAM中的中间解算信息，进而在其内部实现用户位置等信息的解算。
进一步地，所述双口RAM中的全局控制变量包括：定时器周期、初始化捕获门限、环路滤波器系数、载波搜索频点、PN码码初相位、各通道星历地址、计算常量和重置控制器。
进一步地，所述双口RAM中的各通道控制变量包括：搜索引擎相关寄存器、本通道捕获门限、搜索空间索引、跟踪引擎相关寄存器、码环相关寄存器、位同步寄存器、帧同步寄存器、载波相位量、重捕控制和通道使能控制。
进一步地，双口RAM中的解算中间变量包括：各通道卫星星号强度、时间寄存器堆、各通道星历和历书。
进一步地，普通定位要求下，主控微处理器按照查询的方式定期访问双口RAM。
进一步地，在实时性要求高时，一旦中间解算数据准备完毕即向主控微处理器发出中断请求信号实现快速定位。
进一步地，所述主控微处理器通过DMA方式读取中间解算信息。
进一步地，所述GPS处理模块通过SPI接口和主控微处理器进行通信。
进一步地，所述GPS处理模块通过UART接口和主控微处理器进行通信。
进一步地，所述GPS处理模块通过I2C接口和主控微处理器进行通信。
进一步地，所述GPS处理模块通过总线接口和主控微处理器进行通信。
进一步地，所述GPS处理模块通过HPI接口和主控微处理器进行通信。
进一步地，所述GPS处理模块通过SPI、UART、I2C、总线和HPI的组合与主控微处理器进行通信。
进一步地，所述通信模块还负责获取AGPS的辅助信息。
进一步地，所述主控微处理器对GPS基带处理芯片的控制包括启动控制和特殊情况处理两部分，主控微处理器在GPS基带处理芯片启动和出现特殊情况时介入对GPS基带处理芯片的控制。
进一步地，所述启动控制包括以下步骤：
获取先验信息；
预测启动时的可见卫星星号；
预测可见卫星的多普勒频偏；
预测可见卫星的PN码码相位；
生成频率搜索空间；
生成码相位搜索空间；
利用上述信息初始化搜索通道，启动GPS基带处理芯片的捕获过程。
进一步地，所述先验信息是由GPS基带处理芯片计算获得并存储的先验信息。
进一步地，所述先验信息是通信模块获得的辅助信息。
进一步地，所述先验信息是GPS基带处理芯片计算获得并存储的先验信息和通信模块获得的辅助信息的组合。
进一步地，所述GPS处理模块计算结果存储在主控模块的Flash存储器中。
进一步地，所述特殊情况包括：丢失卫星、定位频率变化、模式转换、功耗管理、晶振校准。
进一步地，所述GPS处理模块和通信模块通用一个外部晶振。
进一步地，所述GPS基带处理芯片内部存在一个频率生成器以适应不同通信模块使用的不同晶振。
该构架充分利用了移动/手持设备已有硬件资源，大大减小了GPS芯片的面积和功耗，能够有效简化***设计，降低***功耗和成本。同时改进了基带芯片和主控微处理器的交互，具有控制灵活多样，扩展性强，使用方便，适用面广等优点。
附图说明
图1是GPS接收机定位解算的一般流程；
图2是一个针对移动/手持设备应用的GPS接收机的典型***组成框图；
图3是一个典型的GPS处理模块细节结构框图；
图4是另一个针对移动/手持设备应用GPS接收机已有设计的***结构框图；
图5是本发明的一个较优实施例的***结构框图；
图6是本发明的一个较优实施例GPS处理模块的细节结构框图；
图7是本发明的一个较优实施例的双口RAM划分图；
图8是本发明一个较优实施例主控微处理器的工作流程框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1描述了GPS接收机实现定位的流程。该过程从接收机上电初始化101开始，直至解算出接收机位置106结束，完成了一次定位解算，随即开始新一轮计算过程。这个过程是由Tick生成器生成的Tick信号触发的。Tick生成器由晶振驱动，两次tick信号的间隔严格精准只和晶振的频率精确度有关。通常接收机上电后进入捕获状态102，搜索以确定视线内的卫星、可见卫星的载波频率以及PN码的码相位。这个状态下对载波频率的搜索是粗糙的，通常在数百赫兹的量级。之后进入频率牵引状态103，把本地频率牵引到和卫星载波频率相差几个赫兹的量级，同时进行比特同步。完成频率牵引后，接收机进入跟踪状态104，完成帧同步，即可以进入解调电文状态105，将载波上调制的电文解调出来用于在随后的解算状态106下计算接收机位置。
图2描述了针对移动/手持设备应用的GPS接收机的***组成。目前市面上大部分针对移动/手持设备应用的GPS接收机都是用类似结构，另外一些针对其他应用的GPS接收机，如无通信功能的车载GPS定位导航***，也采取了类似的***结构，只是没有缺少了通信模块。整个GPS应用***由GPS处理模块210，通信处理模块216和主控模块224组成。GPS处理模块210主要负责GPS信号的接收、捕获、跟踪、同步、解调、解算及输出，即图1所示的功能。通信处理模块216主要负责通信部分的处理，例如2G、3G通话，数据流的处理。主控模块主要负责整个***的控制、GPS和通信功能的应用，以及一些其他应用，例如多媒体应用。下面将分块详述。
GPS处理模块210由GPS天线201，射频前端202，GPS基带处理芯片225，和外部晶振211组成。GPS射频RF信号由GPS天线接收后进入射频前端，变换到数字中频后进入GPS基带处理进行处理，计算出定位坐标后输出给主控微处理器做进一步的应用。GPS基带处理包括GPS相关逻辑203，嵌入式微处理器204，实时时钟205，内部ROM 206，内部Flash207，内部RAM 208和输出接口209。外部晶振为射频前端和基带处理提供频率基准，有的产品中射频前端和GPS基带处理共用一个晶振，也有的产品射频前端和GPS基带处理使用不同的晶振。GPS相关逻辑包括了用于捕获、跟踪、解扩、解调功能的硬件逻辑，其细节将在图3中详述。嵌入式微处理器负责控制整个基带模块，以及解算用户坐标。内部ROM 206用于存储嵌入式微处理器使用的程序。也有些产品将这些程序也存储在内部Flash 207中以便日后的升级，同时省去了内部ROM。内部Flash还用于存储一些需要在掉电后需要保留的信息，如GPS卫星历书等为快速启动服务的先验信息。内部RAM 208供嵌入式处理器运行程序使用。实时时钟205用以提供时间基准。通常该时钟可以由片外电池独立供电，保证***掉电的情况下仍能正常工作。片内RAM、片内Flash和实时时钟通过内部总线218和嵌入式处理器相连。另外一些产品将RAM、Flash和实时时钟的一部分或者全部置于芯片之外，利用额外的芯片实现。输出接口209将计算获得用户坐标及其他信息按照规定的格式输出给主控处理器。NMEA0183是一种被广泛接受的输出标准。一些GPS基带处理芯片厂商也制定了自己专有的输出格式，如SiRF公司的SiRF bin格式。
通信处理模块主要有通信天线212，射频前端214和基带处理芯片215以及外部晶振213组成，完成通信相关的语音，图像，数据等数据流的编解码、调制解调和传输。本发明不涉及该部分内容，且本行业内熟练人员皆熟知，因此不再赘述。
主控模块224负责整个***的控制以及各种应用。一个典型的例子为接收并分析由GPS基带处理芯片传入的信息，结合电子地图程序，将用户位置周围的电子地图显示在LCD 222上，进而利用用户当前位置坐标和用户目的地坐标为用户提供导航服务。主控模块由主控微处理器217，ROM219，Flash220，RAM 221，LCD 222，其他外设223和总线218组成。主控微处理器通过总线访问ROM，RAM，LCD和其他外设。
该方案没有充分利用主控模块强大的计算资源和相对充裕的存储资源，整体成本和功耗较高，对于手持/移动设备的应用存在一些制约。
图3详细描述了典型GPS处理模块的细节。GPS射频RF信号由GPS天线301接收后进入射频前端302，首先经过前置低噪声放大器放大，然后由下变频器下变频到模拟中频IF。进而，经过模数转换器ADC转换为数字中频交由基带处理部分作基带处理。
数字中频进入基带处理模块后首先进入AD buffer进行缓存，进而进入捕获通道306以搜索视野内的GPS卫星，确定各可见卫星，及其发射信号的载波多普勒和PN码码相位。在完成捕获后，跟踪通道307则对捕获到的卫星进行跟踪，并与之同步，以便计算出PN码的发射时间，同时解调出导航电文用以定位。所述同步包括比特同步和帧同步。捕获通道和跟踪通道通常都由不同数目的并行独立通道组成，其捕获通道和跟踪通道的数目是可以根据性能、成本、功耗等要求灵活改变的，也跟搜索策略有关。如SiRF II & SiRF III芯片组使用了12个捕获通道和12个跟踪通道；μ-box公司的G5芯片组使用了32个捕获通道和18个跟踪通道。各大GPS接收芯片公司的捕获通道和跟踪通道的结构不尽相同，但功能类似。嵌入式微处理器308用于控制各个捕获和跟踪通道，同时完成解调电文、计算PN码的到达时间，计算伪距，进而解算接收机位置、速度和时间等工作。另外嵌入式微处理器还通过经过自动增益控制AGC 305控制射频前端302的输出，以稳定模拟中频的增益。
嵌入式微处理器通过内部总线309访问内部ROM 310、内部RAM 311、内部Flash 312和实时时钟313。内部ROM 310用于存储嵌入式微处理器使用的程序。也有些产品将这些程序也存储在可写的内部Flash 312中以便日后的升级，同时省略了片内ROM。内部Flash还用于存储一些需要在掉电后需要保留的信息，如GPS卫星历书等为快速启动服务的先验信息。内部RAM 311供嵌入式处理器运行程序使用。实时时钟313用以提供精确的时间基准。通常该时钟可以由片外电池独立供电，保证***掉电的情况下仍能正常工作。另外一些产品将ROM、RAM、Flash和实时时钟的一部分或者全部置于芯片之外，利用额外的芯片实现。通常将ROM、RAM、Flash和实时时钟的一部分或者全部放置于芯片内部会增加芯片面积和成本，而放置于芯片之外会增加***成本。
基带处理部分通常还有重置控制(Reset)314用于控制整个芯片的在不同情况下的重置。以及功耗管理315用以降低整个芯片的功耗。
输出接口316将计算获得用户坐标及其他信息按照规定的格式输出给主控处理器。NMEA0183是一种被广泛接受的输出标准。一些GPS基带处理芯片厂商也制定了自己专有的输出格式，如SiRF公司的SiRF bin格式。
射频前端302和基带处理芯片都是利用外部晶振304作为频率基准，也有一些产品设计成射频前端和基带处理使用不同的晶振。
通常，图中所示的射频前端和基带处理各自被封装成一个独立的芯片。但也有很多应用将两部分封装在一起成为SIP***。而更先进的产品将两部分合二为一形成单一的SOC芯片。
图4描述了另一个针对移动/手持设备应用优化GPS接收机已有设计的***组成。其最大的特点就是将GPS处理模块融入通信模块中。整个***由通信天线401，GPS天线402，通信及GPS基带处理芯片412，主控模块420和外部晶振421组成。
通信及GPS基带处理芯片由分工器403，发射模块404，接收模块405和基带处理模块407组成。发射模块和接收模块在处理通信数据需求时通过分工器403共用通信天线401。接收模块中除了包含通常通讯射频模块所有的功能之外还拥有一个GPS射频模块406，用以完成图2中所示的射频前端202的所有功能。GPS信号通过GPS天线402直接传入接收模块中的GPS基带处理芯片进行处理。基带处理模块407包含了微处理器408，通信基带处理模块409，多媒体应用模块410和GPS基带处理芯片411。通信基带处理模负责通信相关的数据基带处理；多媒体应用模块用于针对多媒体特殊应用增加的逻辑，如MP3/MP4的编解码；GPS基带处理芯片用于GPS信号的基带处理，完成图2中基带处理芯片相同的功能。其中通信基带处理模块409，多媒体应用模块410和GPS基带处理芯片411共用一个微处理器。
主控模块420和图2中的主控模块类似，负责整个***的控制以及各种应用。一个典型的例子为接收并分析由GPS基带处理芯片传入的信息，结合电子地图程序，将用户位置周围的电子地图显示在LCD 418上，进而利用用户当前位置坐标和用户目的地坐标为用户提供导航服务。主控模块由主控微处理器413，ROM 415，RAM 416，Flash 417，LCD 418，其他外设419和总线414组成。主控微处理器通过总线访问ROM，RAM，LCD和其他外设。
这种方案理论上拥有较好的***成本优势，同时可以更方便地实现辅助GPS(Assisted-GPS，简称AGPS)，但是由于硬件上将GPS基带处理和通信基带处理合二为一，因此不能和其他厂家的基带处理芯片配合使用，使得应用不够灵活。
图5描述了本发明的一个针对移动/手持设备应用优化的较优实施例的***组成。和图2所示的***类似，整个GPS应用***由GPS处理模块511，通信处理模块517和主控模块525组成。不同的是，GPS处理模块511主要负责GPS信号的接收、捕获、跟踪、同步和解调，不负责解算。主控模块除了负责整个***的控制、GPS和通信功能的上层应用，以及一些其他应用外，还负责控制GPS基带处理芯片、获取解算中间信息并解算用户位置等。换而言之，将部分控制任何和解算任务从基带处理芯片转移到了主控模块，从而省去了基带处理芯片内的微处理器及为其服务的一系列模块。通信处理模块517除负责通信部分的处理，例如2G、3G通话，数据流的处理外，还负责GPS辅助信息的获取。下面将分块详述。
GPS处理模块511由GPS天线501，射频前端502，和GPS基带处理芯片组成，其细节将在图6中详述。GPS射频RF信号由GPS天线接收后进入射频前端，变换到数字中频后进入GPS基带处理进行处理，计算出解算中间信息输出给主控微处理器做进一步的解算，而不是输出最后的定位结果。GPS基带处理包括若干个捕获通道503，若干个跟踪通道504，控制逻辑505，双口RAM 506，实时时钟507，Reset控制508，功耗控制509和输入输出接口510。捕获通道503以搜索视野内的GPS卫星，确定各可见卫星，及其发射信号的载波多普勒和PN码码相位。在完成捕获后，跟踪通道504则对捕获到的卫星进行跟踪，并与之同步，以便计算出PN码的发射时间，同时解调出导航电文用以定位。所述同步包括比特同步和帧同步。控制逻辑505负责对整个芯片的控制，所有的控制变量都存储在双口RAM 506中，由主控微处理器在初始化时通过输入输出接口510写入。所有的中间计算变量也存储于双口RAM由控制逻辑更新。换而言之，双口RAM是主控微处理器和基带处理芯片通信的桥梁。输入输出接口510将基带处理芯片的解算中间信息输出给主控处理器，同时也将主控微处理器的控制信息传递给基带处理芯片。解算中间信息包括所有可用卫星的发射时间，导航电文，信号强度等。DMA控制器512用于将双口RAM中解算中间信息快速的转递给主控RAM，方便下一步的计算，同时降低功耗。输入输出接口提供了多种外部接口和主控微处理器通信，这些接口包括SPI接口，UART接口，I2C接口，总线接口，HPI接口等。微处理器可以选择其中的一种或者几种和GPS基带处理芯片进行通信。实时时钟507用以提供时间基准。该时钟可以由片外电池独立供电，保证***掉电的情况下仍能正常工作。Reset控制508用于控制整个芯片的在不同情况下的重置。以及功耗管理509用以管理和降低整个芯片的功耗。GPS处理部分，包括GPS射频前端和基带处理，和通信处理模块共用一个晶振以降低***成本。
通信处理模块主要有通信天线513，射频前端515和基带处理芯片516以及外部晶振514组成，完成通信相关的语音，图像，数据等数据流的编解码、调制解调和传输。同时通信处理模块还负责接收用于AGPS的辅助信息。
主控模块525负责对GPS基带处理芯片进行控制以及用户坐标的解算。对GPS基带处理芯片的控制主要是在初始化和丢失信号等特殊情况。用户坐标的解算是指利用接收到的可用卫星信号强度、发射时间和导航电文，计算出用户的坐标位置和UTC时间。另外，和图2所示***类似，主控模块525还负责整个***的控制以及各种应用外。一个典型的例子为利用计算获得用户坐标等信息，结合电子地图程序，将用户位置周围的电子地图显示在LCD 523上，进而利用用户当前位置坐标和用户目的地坐标为用户提供导航服务。主控模块由主控微处理器518，ROM 520，RAM 521，Flash 522，LCD 523，其他外设524和总线519组成。主控微处理器通过总线访问ROM，RAM，LCD和其他外设。GPS相关的程序以及需要掉电后需要保留的信息，如GPS卫星历书等为快速启动服务的先验信息都保留在Flash 522中。
本发明针对其他应用场合的定位导航***，如无通信功能的车载GPS定位导航***，同样适用。大多数情况下只需减去通信模块。
图6详细描述了本发明的一个较优实施例GPS处理模块的细节。和图3所示类似地，GPS射频RF信号由GPS天线601接收后进入射频前端602，首先经过前置低噪声放大器放大，然后由下变频器下变频到模拟中频IF。进而，经过模数转换器ADC转换为数字中频交由基带处理部分作基带处理。
数字中频进入基带处理模块后首先进入AD buffer 603进行缓存，进而进入捕获通道607以搜索视野内的GPS卫星，确定各可见卫星，及其发射信号的载波多普勒和PN码码相位。在完成捕获后，跟踪通道608则对捕获到的卫星进行跟踪，并与之同步，以便计算出PN码的发射时间，同时解调出导航电文用以定位。所述同步包括比特同步和帧同步。捕获通道和跟踪通道通常都由不同数目的并行独立通道组成，其捕获通道和跟踪通道的数目是可以根据性能、成本、功耗等要求灵活改变的，也跟搜索策略有关，不是限定性的。该实施例使用了12个捕获通道和12个跟踪通道。本发明的另一个较优实施例使用了32个捕获通道和12个跟踪通道。控制逻辑609用于负责对整个芯片的控制，特别是各个捕获和跟踪通道的控制，同时完成解调电文及校验等工作。另外控制逻辑还通过经过自动增益控制AGC 605控制射频前端602的输出，以稳定模拟中频的增益。
双口RAM是主控微处理器和基带处理芯片通信的桥梁。所有的控制变量都存储在双口RAM 610中，由主控微处理器在初始化时通过输入输出接口620写入。所有的中间计算变量也存储于双口RAM，由控制逻辑609更新，从而可以被主控微处理器访问。输入输出接口620将基带处理芯片的解算中间信息输出给主控处理器，同时也将主控微处理器的控制信息传递给基带处理芯片。解算中间信息包括所有可用卫星的发射时、导航电文、信号强度等。输入输出接口提供了多种外部接口和主控微处理器通信，这些接口包括SPI接口612，UART接口613，I2C接口614，总线接口615，SPI接口616等，这些接口由接口控制611统一控制。微处理器可以选择其中的一种或者几种进行通信。
基带处理部分通常还有实时时钟617用以提供精确的时间基准。通常该时钟可以由片外电池独立供电，保证***掉电的情况下仍能正常工作。Reset控制616用于控制整个芯片的在不同情况下的重置。以及电源管理618用以降低整个芯片的功耗。
主控微处理器一般情况下使用“查询方式”定期对双口RAM进行访问，获取解算中间信息进行解算。获取的方式可以是普通的处理器访问RAM的方式，也可以是通过接口控制611使用基于DMA的快速块读取的方式。上述方式有主控微处理器占用率小，实时性要求低等优点，另外DMA方式还有方便快速，功耗低等优点；但是该方法也有定位结果有可能延迟的缺点。为解决该问题，基带处理芯片还提供中断模式，最大限度地减少输出延迟。一旦解算中间信息准备完毕，逻辑控制609就发出一个中断请求信号，通过中断管理619输出给主控微处理器，使其优先进行解算定位工作。
射频前端602和基带处理芯片都是利用外部晶振604作为频率基准，该晶振是和通信模块中的晶振514共用的，以降低***成本。通过可配置的频率生成器606，GPS处理部分可以适应不同的晶振频率。
通常，图中所示的射频前端和基带处理各自被封装成一个独立的芯片。但也可以根据不同的应用需求将两部分封装在一起成为SIP***，甚至将两部分合二为一形成单一的SOC芯片。
图7描述了本发明的一个较优实施例的双口RAM的划分。整个双口RAM被划分为三个区域：全局控制变量区701，各通道控制变量区702和解算中间变量数据区703。其中，全局控制变量是对全局的控制变量或者对每个通道都相同的控制变量。全局控制变量包括：定时器周期704，用于控制内部定时器的溢出周期；初始化捕获门限705为捕获通道的门限初始值；环路滤波器系数706，为跟踪环的滤波器系数；载波搜索频点707为载波搜索空间的各个点频；PN码码初相位708为卫星星号对应的PN码码相位；各通道星历地址709为各通道星历存储空间的起始地址；计算常量710为控制逻辑用以计算某些中间量时使用的常量；Reset控制器711，用以控制整个基带芯片的重启。
各通道控制变量区域包含了每个通道独立的控制变量，这些变量包括：搜索引擎相关寄存器712，本通道捕获门限713，搜索空间索引714-，跟踪引擎相关寄存器715，码环相关寄存器716，位同步寄存器718，帧同步寄存器719，载波相位量720，重捕控制721和通道使能控制722组成。
解算中间变量区是本发明中基带处理芯片计算的最终结果，专门开辟区域是为了方便主控微处理器批量读取或DMA读取的需要。该区域包括：各通道卫星星号强度723；时间寄存器堆724，各通道星历725和历书726。
双口RAM中各寄存器的排放顺序不是限定性的，但是其寄存器的组成是限定性的。
图8描述了本发明一个较优实施例主控微处理器的工作流程。主控微处理器上电初始化801后，首先读取从通信模块517获取的的AGPS辅助信息802。当然，只有在存在通信模块和AGPS辅助信息的前提下，该过程才会进行。进而读取存储在Flash中的快速启动信息803。结合两部分的辅助信息，即可以计算出当前可见卫星的星号、载波多普勒频偏和码相位804，进而生成频率搜索空间和码相位搜索空间805。进一步地，利用这些信息初始化基带处理芯片806，使GPS处理模块511开始工作。至此，GPS基带处理芯片的启动工作完成。
随后，主控微处理器进入查询阶段，检测查询计数器是否溢出807，若否，则继续等待，若溢出，则读取解算中间信息808。该步骤可以由等同查询功能的其它步骤代替，如操作***后台服务，软件中断等等。读取解算中间信息后检测可用卫星是否大于等于定位要求809，若否，则重新进入查询阶段，若是，则解算用户位置等信息810，实现定位。
进一步地，检测是否出现特殊情况811，这些特殊情况包括：丢失某一颗卫星；信号受到屏蔽，可用卫星数小于定位要求；丢失所有卫星；晶振需要校准等。这些时候主控微处理器需要进行特殊情况处理812，修改基带处理芯片中的相关寄存器，以执行相应的对策，使用户获得最大体验。
尽管本发明的方法和装置是参照GPS卫星来描述的，但应当理解，这些原理同样适用于采用假卫星(pseudolites)或卫星与假卫星的组合的定位***。假卫星是一种基于地面的发射机，它传播调制在L频段在波信号上PN码(与GPS信号相似)，并且通常是与GPS时间同步的。每一发射机可以被赋予一个独特的PN码，从而允许由远端接收机进行识别。假卫星用在这样的情况下，即，来自轨道卫星的GPS信号缺失，如隧道、矿山、建筑物或者其他的封闭区及明显遮挡。这里所使用的术语“卫星”包括假卫星或假卫星的等效，而这里所使用的术语GPS信号包括来自假卫星或者假卫星等效的类似GPS的信号。
在前面的讨论中，本发明是参照美国全球定位***(GPS)来描述的。然而，应当理解，这些方法同样适用于类似的卫星定位***，如俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)***，欧洲的伽利略(Galileo)***和中国的北斗1及北斗2***。所使用的术语“GPS”还包括这样一些卫星定位***，如俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)***，欧洲的伽利略(Galileo)***和中国的北斗1及北斗2***。术语“GPS信号”包括来自另一些卫星定位***的信号。
上文中，已经描述了针对移动/手持设备优化的GPS接收机基带处理芯片构架的细节。尽管本发明是参照特定实施例来描述的，但很明显，本领域熟练人员，在不偏移权利要求书所限定的发明范围和精神的情况下，还可以对这些实施例作各种修改和变更。因此，说明书和附图是描述性的，而不是限定性的。
Claims (26)
1.一种针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，该***包含：
一个GPS处理模块，负责信号的接收、捕获、跟踪、同步和导航电文解调，所述GPS处理模块包含了一个双口RAM，所述双口RAM中存储GPS处理模块的全局控制变量、各通道控制变量和中间解算信息三部分内容；
一个通信模块，负责通信相关的语音、图像及数据的编解码、调制解调和传输；
一个主控模块，包含一主控微处理器，负责整个***的控制以及上层应用，对GPS基带处理芯片进行控制以及用户坐标的解算，普通定位要求下所述主控微处理器按照查询的方式定期访问该双口RAM。
2.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述GPS处理模块包含了一个高精度的实时时钟。
3.根据权利要求2所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述实时时钟被接收机计算出的UTC时间校准，并被接收机随时读取，同时该接收机通过外部电池供电保证接收机掉电后继续工作。
4.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，主控模块通过修改所述双口RAM中的全局控制变量实现和各通道控制变量实现对GPS基带处理芯片的控制。
5.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，主控模块读取所述双口RAM中的中间解算信息，进而在其内部实现用户位置信息的解算。
6.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述双口RAM中的全局控制变量包括：定时器周期、初始化捕获门限、环路滤波器系数、载波搜索频点、PN码码初相位、各通道星历地址、计算常量和重置控制器。
7.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述双口RAM中的各通道控制变量包括：搜索引擎相关寄存器、本通道捕获门限、搜索空间索引、跟踪引擎相关寄存器、码环相关寄存器、位同步寄存器、帧同步寄存器、载波相位量、重捕控制和通道使能控制。
8.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述双口RAM中的解算中间变量包括：各通道卫星星号强度、时间寄存器堆、各通道星历和历书。
9.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，在实时性要求高时，一旦中间解算数据准备完毕即向所述主控微处理器发出中断请求信号实现快速定位。
10.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述主控微处理器通过DMA方式读取中间解算信息。
11.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述GPS处理模块通过SPI接口与所述主控微处理器进行通信。
12.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述GPS处理模块通过UART接口与所述主控微处理器进行通信。
13.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述GPS处理模块通过I2C接口与所述主控微处理器进行通信。
14.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述GPS处理模块通过总线接口与所述主控微处理器进行通信。
15.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述GPS处理模块通过HPI接口与所述主控微处理器进行通信。
16.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述GPS处理模块通过SPI、UART、I2C、总线和HPI的组合与所述主控微处理器进行通信。
17.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述通信模块还负责获取AGPS的辅助信息。
18.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述主控微处理器对GPS基带处理芯片的控制包括启动控制和特殊情况处理两部分，主控微处理器在GPS基带处理芯片启动和出现特殊情况时介入对GPS基带处理芯片的控制。
19.根据权利要求18所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述启动控制包括以下步骤：
获取先验信息；
预测启动时的可见卫星星号；
预测可见卫星的多普勒频偏；
预测可见卫星的PN码码相位；
生成频率搜索空间；
生成码相位搜索空间；
利用上述信息初始化搜索通道，启动GPS基带处理芯片的捕获过程。
20.根据权利要求19所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述先验信息是由GPS基带处理芯片计算获得并存储的先验信息。
21.根据权利要求19所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述先验信息是通信模块获得的辅助信息。
22.根据权利要求19所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述先验信息是GPS基带处理芯片计算获得并存储的先验信息和通信模块获得的辅助信息的组合。
23.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述GPS处理模块计算结果存储在主控模块的Flash存储器中。
24.根据权利要求18所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述特殊情况包括：丢失卫星、定位频率变化、模式转换、功耗管理、晶振校准。
25.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述GPS处理模块和通信模块通用一个外部晶振。
26.根据权利要求1所述的针对移动设备的超低功耗、低成本的GPS芯片构架，其特征在于，所述GPS基带处理芯片内部存在一个频率生成器以适应不同通信模块使用的不同晶振。
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