全球定位系統(tǒng)(GPS)功能正在快速成為消費(fèi)電子應(yīng)用的主要市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力，也逐漸成為在各式各樣新一代消費(fèi)類電子設(shè)備中脫穎而出的重要差異點(diǎn)。無(wú)論是汽車、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備乃至蜂窩手機(jī)等應(yīng)用都加入了精確的定位能力。此外，有許多先進(jìn)的GPS服務(wù)也正在開發(fā)中，例如基于定位的廣告。事實(shí)上，能夠在地圖上定位用戶的功能足以推動(dòng)GPS成為主流設(shè)備，但前提是不必大幅增加整體材料清單(BOM)成本和處理器負(fù)荷。

然而，要做到以消費(fèi)者愿意支付的價(jià)格提供他們所期待的GPS性能和精度，開發(fā)商必須熟悉一些在消費(fèi)類電子設(shè)備中實(shí)現(xiàn)GPS功能的關(guān)鍵技術(shù)，特別是全新的伽利略(Galileo)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。在伽利略衛(wèi)星提供的輔助信號(hào)幫助下，個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備將較只有GPS功能的設(shè)備可以更快速和更精確地采集和鎖定位置，特別是在最需要位置定位服務(wù)、但GPS精度又不夠的城市環(huán)境中。此外，隨著創(chuàng)新技術(shù)如軟件基帶處理(類似于軟件定義的無(wú)線電)的面世，制造商可以在不影響成本及功耗的情況下，把定位技術(shù)引入至個(gè)人多媒體播放器和手機(jī)之類的設(shè)備中。所有這些因素都使得伽利略與GPS的結(jié)合成為引人注目的技術(shù)。

伽利略： 有效彌補(bǔ)GPS網(wǎng)絡(luò)的不足

伽利略衛(wèi)星是在歐盟贊助下開發(fā)和推行的一種平行式全球定位衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。伽利略衛(wèi)星的開發(fā)并不是為了與GPS競(jìng)爭(zhēng)，而是與其協(xié)同工作。伽利略衛(wèi)星將在多個(gè)頻段內(nèi)傳輸信號(hào)，其中之一是跟GPS一樣的L1波段頻率，并且該波段頻率在互補(bǔ)軌道的GPS衛(wèi)星之間是有間隔的，這樣，某個(gè)具體位置能捕獲到的信號(hào)量就會(huì)大增，這對(duì)于高樓林立的城市中接收設(shè)備的精度影響很大。要獲得足夠的位置鎖定信號(hào)，至少需要四顆衛(wèi)星，基于伽利略/GPS的個(gè)人導(dǎo)般設(shè)備可同時(shí)使用來(lái)自兩個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星，也就是說(shuō)可以有更多衛(wèi)星信號(hào)。實(shí)際上，這種高級(jí)別的精度足以讓個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備能夠確定路上行人正往哪一邊行走。

GPS面世至今已經(jīng)有30多年歷史。1978年，第一批探索衛(wèi)星被送上了太空；1989年，第一批實(shí)用衛(wèi)星被投放至軌道上。GPS于1993年達(dá)到了初始運(yùn)作能力(IOC)，并于1995年實(shí)現(xiàn)了全面運(yùn)作能力(FOC)。GPS由美國(guó)國(guó)防部管理，最初并不是特別為商業(yè)市場(chǎng)而設(shè)計(jì)的。

在效果上，伽利略是對(duì)GPS的有效補(bǔ)充。由于伽利略可用的信號(hào)數(shù)量更多，而且不受某一國(guó)政府機(jī)構(gòu)的控制(例如可以不經(jīng)警告就停止服務(wù)或改變衛(wèi)星的精度)，所以能提供比GPS更高的精度(在商業(yè)應(yīng)用方面，伽利略的精度為+/-4m，而GPS的精度為+/-10m)。

目前，伽利略測(cè)試衛(wèi)星GIOVE-A已經(jīng)部署，并驗(yàn)證了該技術(shù)所有重要的傳輸機(jī)制。隨著部署的深入開展，27顆伽利略衛(wèi)星將會(huì)被運(yùn)送到軌道上。由于目前的產(chǎn)品開發(fā)周期很長(zhǎng)，許多OEM廠商已經(jīng)著手考慮推行基于伽利略/GPS的架構(gòu)，并讓相關(guān)產(chǎn)品逐漸進(jìn)入市場(chǎng)，以便一旦伽利略系統(tǒng)正式運(yùn)作，消費(fèi)者就能夠立即享用到優(yōu)勢(shì)。在理想情況下，這些設(shè)備目前只運(yùn)用GPS工作，但當(dāng)伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)建成后，就可以快速升級(jí)到采集伽利略的信號(hào)。即使OEM商沒有計(jì)劃升級(jí)已經(jīng)投放的設(shè)備，現(xiàn)在就設(shè)計(jì)能同時(shí)支持這兩種系統(tǒng)的架構(gòu)，便可以避免當(dāng)伽利略系統(tǒng)建成時(shí)，產(chǎn)品上市時(shí)間延遲和錯(cuò)失商機(jī)。

現(xiàn)今的GPS架構(gòu)由天線、射頻(RF)接收器、基帶處理器和連接到應(yīng)用處理器的輸出總線接口組成(見圖1)。這樣的傳統(tǒng)設(shè)備既不受功率約束的限制，也不需要太多的靈活性，因?yàn)樗鼈兪轻槍?duì)特定設(shè)備(如車載GPS)而開發(fā)的，所以接收器硬件的性能可以得到高度優(yōu)化。它們的無(wú)線部分不管是硬件還是軟件都幾乎沒有可配置能力或者不需要這種能力。它們常常以模塊的形式出售給制造商，因此，OEM商沒有必要掌握更多有關(guān)RF設(shè)計(jì)和測(cè)試的細(xì)節(jié)要點(diǎn)。

圖1：基于硬件基帶處理的GPS架構(gòu)方框圖。

盡管在針對(duì)特殊應(yīng)用的實(shí)施方案中節(jié)省了大量成本，但是維護(hù)支持伽利略和GPS兩個(gè)截然不同的射頻子系統(tǒng)所需的成本卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了消費(fèi)市場(chǎng)能夠承受的能力。更為重要的是，兩個(gè)射頻部分所占據(jù)的空間和消耗的功率翻了一番，而且還需要為應(yīng)用處理器提供兩條總線接口。在這種情況下，把這些射頻部分集成為一個(gè)子組件就可以減少整體成本、復(fù)雜性和功耗。

事實(shí)上，因?yàn)镚PS和伽利略采用相同的頻段(中心頻率為1.575 GHz)，所以有可能兩套系統(tǒng)共享一個(gè)射頻部分。然而，在信號(hào)采集方式上的微小差異則需要以可配置的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。特別是伽利略信號(hào)采用4MHz帶寬，而GPS采用2MHz帶寬，并且執(zhí)行一套不同的編碼方案。從基帶的觀點(diǎn)來(lái)看，這些調(diào)制方案都可以利用關(guān)聯(lián)器進(jìn)行解調(diào)，因此可以采用一個(gè)基帶處理器，并通過獨(dú)立配置一個(gè)靈活的關(guān)聯(lián)器模塊來(lái)同時(shí)解調(diào)伽利略和GPS這兩種信號(hào)。

利用未充分使用的計(jì)算能力

傳統(tǒng)的基帶處理都是通過硬件實(shí)現(xiàn)的。然而，伽利略信號(hào)方案目前尚未最終完成，如果現(xiàn)在以硬件方式實(shí)現(xiàn)，就需要重新配置基帶(只能用軟件實(shí)現(xiàn))的靈活性，以根據(jù)最終標(biāo)準(zhǔn)作出必要的修改。此外，基于硬件的實(shí)現(xiàn)方案通常很不靈活，難以通過修改來(lái)適應(yīng)為了改進(jìn)性能和精度而采用的新的信號(hào)處理算法。

以高性價(jià)比的方式實(shí)現(xiàn)伽利略/GPS功能的關(guān)鍵，就是利用現(xiàn)有架構(gòu)中未被充分使用的計(jì)算能力，在軟件中實(shí)現(xiàn)一部分的基帶處理功能。例如，手機(jī)有一個(gè)應(yīng)用處理器負(fù)責(zé)處理與通信無(wú)關(guān)的所有功能，隨著人們對(duì)多媒體服務(wù)(如音樂和視頻播放)興趣的與日俱增，這種處理器已經(jīng)變得越來(lái)越強(qiáng)大。然而，當(dāng)這些服務(wù)不使用時(shí)，應(yīng)用處理器常常處于閑置狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)會(huì)被斷電，以降低它消耗的功率。

圖2：利用雙硬件架構(gòu)與基于軟件的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的伽利略/GPS系統(tǒng)方框圖。

當(dāng)基帶處理可以在應(yīng)用處理器上以軟件實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，消費(fèi)型伽利略/GPS接收器就有可能成真。在這種方式中，由于一個(gè)接收器硬件已可支持多個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)，所以基于軟件的伽利略/GPS 就相當(dāng)于軟件定義的無(wú)線電(SDR)。此外，隨著無(wú)線通信技術(shù)不斷融合，可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來(lái)，消費(fèi)電子設(shè)備將利用多功能無(wú)線電技術(shù)來(lái)支持藍(lán)牙、WiFi和使用可配置軟件基帶實(shí)現(xiàn)的伽利略/GPS。

開發(fā)商可以選擇繼續(xù)使用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn) GPS的基帶處理，而利用未充分使用的主處理器資源在軟件中執(zhí)行伽利略的基帶處理；又或者在軟件中同時(shí)實(shí)現(xiàn)GPS和伽利略兩種基帶處理。這兩種方法都能降低在消費(fèi)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)定位服務(wù)的成本，但在軟件中同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩種基帶處理可以完全消除對(duì)硬件基帶芯片的需求。

特別是，如果在軟件中推行基帶處理，可以將伽利略/GPS系統(tǒng)的價(jià)格降低50% 以上?；谲浖馁だ?GPS系統(tǒng)預(yù)計(jì)在供貨時(shí)能迅速達(dá)到1美元的價(jià)格點(diǎn)，而有助此目標(biāo)成真的因素之一是功能軟件本身的商業(yè)模式：當(dāng)軟件開發(fā)完成后，就不會(huì)有任何制造成本，而且軟件一直以來(lái)都是與硬件捆綁銷售，以作為促銷硬件的手段。通過集成固定的基帶處理技術(shù)(如關(guān)聯(lián)技術(shù))和射頻電路還可以進(jìn)一步節(jié)省成本(見圖3)。此外，伽利略可以在任何時(shí)間加入到基于軟件的基帶設(shè)備之中而不增加整體的硬件成本。相對(duì)來(lái)說(shuō)，如果是基于硬件的實(shí)現(xiàn)方案，推行伽利略的配置將增加設(shè)備的零售成本，但卻不會(huì)馬上為消費(fèi)者帶來(lái)價(jià)值。

圖3：被劃分為軟件和射頻部分進(jìn)行處理的各個(gè)功能方框圖(即把關(guān)聯(lián)功能從軟件轉(zhuǎn)移到無(wú)線部分進(jìn)行處理)。

軟件基帶處理是否可行可以由評(píng)估最壞情況下的加載來(lái)確定。對(duì)伽利略/GPS來(lái)說(shuō)，峰值處理會(huì)在最初的信號(hào)采集過程中或定位丟失之后(例如在開車通過一條長(zhǎng)隧道之后)出現(xiàn)。當(dāng)鎖定了位置后，基帶處理的運(yùn)算量就會(huì)大幅度下降，因?yàn)橐坏┫到y(tǒng)掌握了位置信息，維持該位置信息就比較容易。

當(dāng)然，最壞情況下的處理是不應(yīng)過分占用應(yīng)用處理器的運(yùn)算能力的，以免影響其它功能。初期的軟件基帶實(shí)現(xiàn)方案會(huì)消耗手機(jī)應(yīng)用處理器(如ARM9) 多達(dá)66%的可用計(jì)算能力，不過，軟件供應(yīng)商預(yù)期能夠把這個(gè)負(fù)荷降低到稍多于可接受的10到15%。

達(dá)到這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方式之一就是采用非實(shí)時(shí)技術(shù)。要把數(shù)據(jù)作為信號(hào)流實(shí)時(shí)地處理需要基于中斷的處理能力，但這樣會(huì)導(dǎo)致高開銷，而且在不同應(yīng)用中管理實(shí)時(shí)任務(wù)也很復(fù)雜。此外，由于處理器持續(xù)地被中斷以處理各種信號(hào)，其電源就不是經(jīng)常處于關(guān)閉狀態(tài)，因此大大增加了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

非實(shí)時(shí)處理采用的是一種突發(fā)方式，一次收集許多數(shù)據(jù)樣本用于處理。雖然這會(huì)增加延遲，但這種少量的延遲是可以忽略的，并不會(huì)影響精度或用戶體驗(yàn)。由于數(shù)據(jù)比較集中，所以當(dāng)應(yīng)用處理器沒有忙于處理較高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)時(shí)，就可編排處理的日程進(jìn)度。要注意的是，跟實(shí)時(shí)處理的情況不同，這個(gè)處理器并不會(huì)被定時(shí)喚醒后只去做基帶處理；相反，當(dāng)處理器被某個(gè)任務(wù)喚醒后，便會(huì)執(zhí)行基帶處理，這樣，處理器后面就能夠休眠比較長(zhǎng)的時(shí)間。

解決靈敏度的問題

對(duì)于伽利略/GPS 接收器(特別是手機(jī))來(lái)說(shuō)，靈敏度是一個(gè)關(guān)鍵的性能和精度指示。信號(hào)采集要求(A-GPS系統(tǒng)中的)接收器上的信號(hào)電平在 -130到-155 dBm之間，大約比由 RF 前端模塊所得的噪聲電平低 19到34dB。關(guān)聯(lián)器會(huì)把一個(gè)2MHz帶寬的信號(hào)去擴(kuò)展為一個(gè)50Hz的數(shù)據(jù)信號(hào)，從而提供43dB的關(guān)聯(lián)增益，從而把有用信號(hào)提升到噪聲電平以上，方便它們進(jìn)行處理。然而，任何接近有用信號(hào)頻率的其它通信信號(hào)或在有用頻段的諧波都可能成為一種干擾源，并進(jìn)一步降低接收器的靈敏度。

最常見和最具破壞性的干擾源來(lái)自個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備本身。例如，如果手機(jī)遠(yuǎn)離基站并以最大功率發(fā)射，這意味著在同一設(shè)備內(nèi)1800MHz頻點(diǎn)處可能有30dBm的信號(hào)，因而進(jìn)一步導(dǎo)致伽利略/GPS信號(hào)在最壞情況下的靈敏度衰減。

要克服內(nèi)部傳輸干擾有若干方法。其一是由于發(fā)射信號(hào)是已知的，因此可以從伽利略/GPS信號(hào)中減去。另一種方法是，使用濾波器把蜂窩電話的干擾降低70dB以上，以保護(hù)輸入的衛(wèi)星信號(hào)。

然而，如果GPS擁有2MHz的帶寬而伽利略擴(kuò)展至4MHz，那么雙接收器架構(gòu)就具有兩個(gè)最佳的濾波器。GPS的調(diào)制方式為BPSK，而伽利略的調(diào)制方式為BOC(1,1)，這樣，兩種信號(hào)都可以占用相同的信號(hào)帶寬，然后關(guān)聯(lián)器也能夠從伽利略信號(hào)中辨別GPS信號(hào)，反之亦然。

濾波器還適用于基帶處理器。以硬件實(shí)現(xiàn)基帶時(shí)，由于這些濾波器的參數(shù)是固定的，因此限制了無(wú)線部分的優(yōu)化程度。但如果用軟件實(shí)現(xiàn)基帶濾波，這些參數(shù)就可以被改變，以匹配具體的信號(hào)條件。此外，隨著濾波算法的發(fā)展，這些濾波器可以被應(yīng)用到現(xiàn)有的架構(gòu)上。即便各種手機(jī)的架構(gòu)存在極大的差異，但這樣的靈活性使單個(gè)雙無(wú)線接收器架構(gòu)就可以很好地應(yīng)用于不同的產(chǎn)品線。

靈敏度也可能因一個(gè)不良晶體或VCXO參考時(shí)鐘而嚴(yán)重地降低。一般來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘源越穩(wěn)定，成本就越高，但采集時(shí)間也越快。例如，一個(gè)0.5ppm的參考時(shí)鐘將使鎖定時(shí)間達(dá)到40秒的數(shù)量級(jí)。如果采集時(shí)間不成問題，那么，2.5ppm的參考時(shí)鐘就應(yīng)該足夠了。

很多人都誤以為GSM參考時(shí)鐘可以生成穩(wěn)定的伽利略/GPS參考時(shí)鐘，其實(shí)不然。 GSM參考時(shí)鐘是鎖定到網(wǎng)絡(luò)的，而且需要頻繁進(jìn)行頻率修正。有時(shí)侯，這些修正是通過GSM基帶驅(qū)動(dòng)一個(gè)DAC來(lái)實(shí)現(xiàn)的，再由它驅(qū)動(dòng)一個(gè)VCTCXO。參考時(shí)鐘頻率的漸進(jìn)式變化將不會(huì)讓伽利略/GPS接收器與衛(wèi)星信號(hào)保持信號(hào)鎖定，特別是在信號(hào)較弱的地方，這將導(dǎo)致定位丟失。所以，最安全的方法是針對(duì)伽利略/GPS子系統(tǒng)采用獨(dú)立的時(shí)鐘，但這樣會(huì)增加整體設(shè)備的成本。開發(fā)商需要仔細(xì)考慮性能和成本之間的折衷，并在架構(gòu)設(shè)計(jì)過程的早期避免開發(fā)出一個(gè)無(wú)法滿足最低精度要求的設(shè)計(jì)。

總而言之，伽利略系統(tǒng)可以改善全球定位服務(wù)的可用性和性能，而增加的精度能完美地補(bǔ)充GPS的不足。借助基于軟件的基帶處理功能，個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備(包括手機(jī)和便攜式媒體播放器)將能夠充分發(fā)掘應(yīng)用處理器的閑置處理能力，以高性價(jià)比的方式實(shí)現(xiàn)伽利略/GPS雙無(wú)線子系統(tǒng)，進(jìn)而改進(jìn)消費(fèi)者的全球?qū)Ш椒绞健?