開發GPS單晶片蔚為風潮 滿足手持式裝置商用產品之需求

由於全球衛星定位系統(Global Position System, GPS)晶片牽涉到前端射頻與後端基頻等兩大運作方式不盡相同的設計，因此過去在設計上採取雙晶片甚至三晶片的設計。雖說是雙晶片，也經過晶片整合的歷程。在雙晶片解決方案下，在後端晶片組上就是將原本的基頻解碼器與微控制器(MCU)運算核心結合，再加上記憶體、電源管理、時鐘等單元。而前端的射頻部分，則整合放大器、濾波器、降頻器、電壓控制振盪器(VCO)、鎖相環(PLL)等。  

目前國內在基頻方面的研發能量較充足，因此發展較為廣泛，有些廠商為了與應用系統產品整合，而將視訊、液晶顯示器(LCD)驅動晶片、觸控螢幕等功能整合進基頻系統單晶片(SoC)中。而在發展上，還是以商用及消費性領域的開發較為廣泛，因此開發的晶片大多集中於L1頻段，屬於民用頻段，接收衛星訊號為12個通道。而GPS晶片優劣的分野在於接收的靈敏度，以及第一次定位時間(Acquisition Time)，而隨著GPS應用在手持式設備上，因此降低功耗的設計也顯得格外重要。  

以瑟孚(SiRF)為例，有一款GPS晶片解決方案SiRFstarIIe/LP就是採取雙晶片方式(圖1)，前端部分並未將濾波器及低雜訊放大器(LNA)整合進去；而在後端的基頻方面，唯讀記憶體(ROM)及隨機存取記憶體(RAM)也未整合進入。雖如此，此解決方案仍是目前主流產品之一。  

由於各家採用的整合方式不同，並有各種不同區隔市場的考量，因此在功能整合上也不同。在瑟孚的解決方案中已將GPS軟體及演算法模組化，並且已發展出符合美國E911的解決方案，並在其他解決方案中應用於手機。  

提供GPS晶片的台灣廠商則較少，其中以國際航電(Garmin)、長茂(Evermore)，以及亞全(HiMARK)為主。國際航電的晶片是以自家產品應用為主，因此僅有長茂及亞全的GPS晶片出售給系統廠商，其中亞全在GPS方面亦是以雙晶片組為主，包含基頻及射頻(圖2)。亞全過去在射頻方面投注的心力相當大，目前開發完成的GPS接收晶片為RX3650，而在基頻方面有GPS控制器單晶片AR2010，且AR2010已成功與PDA等資訊產品整合，並且搭配其接收晶片成為完整解決方案。亞全的定位演算法及嵌入式軟體之研發在國內亦屬領先者，但未來若要應用於手機則須要再加把勁，最主要的癥結在於與手機晶片及天線的整合技術上。日前亞全的射頻團隊及相關資產已移轉至消費性晶片廠普誠，後續研發將會加入更多消費性產品概念。  

GPS晶片商多採合縱連橫策略  

由於GPS晶片牽涉到射頻技術，因此許多通訊晶片廠商皆涉足GPS晶片市場，包括德州儀器、高通(Qualcomm)、摩托羅拉、英飛凌、科勝訊(Conexant)等廠商，但在近幾年，專業的GPS晶片組廠商表現亦非常亮麗，如瑟孚等。GPS晶片的發展趨勢已逐漸走向專業化，因此許多通訊晶片廠商漸漸與專業GPS晶片廠商合作，甚至將相關業務出售給專業晶片廠商，並取得相關合作關係。  

科勝訊轉讓GPS晶片業務予瑟孚  

科勝訊於2001年中將GPS晶片業務整體轉讓給瑟孚，此次轉讓包括科勝訊在GPS方面的資產，其中包括GPS智財權等。而科勝訊得到瑟孚的股票，且科勝訊與瑟孚將在技術上合作。科勝訊出售GPS晶片業務之後可把資源集中在無線通訊領域，瑟孚也能在科勝訊的基礎上擴展自己的客源。  

瑟孚收購摩托羅拉GPS晶片部門  

瑟孚於2003年宣布與摩托羅拉的半導體部門合作，合作開發於GSM/GPRS/WCDMA的無線/GPS晶片以及GPS智財權，應用範圍包含手機、PDA等可攜式產品。事實上這已是瑟孚與摩托羅拉自2002年以來的第三次合作，包括先前摩托羅拉的數位無線電話iDEN系統平台整合瑟孚GPS技術，以及摩托羅拉推出的第三代行動電話內建瑟孚GPS晶片組SiRFLoc。瑟孚隨後在2005年收購摩托羅拉的GPS晶片部門，並計畫把摩托羅拉GPS晶片組產品，包括用於遠端資訊處理應用的MG2000和用於行動電話的MG4x00納入其系列產品中。  

英飛凌與Global Locate合作開發AGPS  

英飛凌與Global Locate於2004年合作研發輔助GPS(AGPS)單晶片「Hammerhead」，可應用於手機與PDA。因Global Locate具有室內GPS的技術與經驗，能在訊號微弱以及多徑干擾的狀況下，在手機中接收定位資訊。在此合作案中，英飛凌負責射頻設計、系統整合等技術，Global Locate則專注於基頻設計、演算法開發、訊號處理、AGPS軟體等技術。  

SiGe與CPS聯合開發E-GPS系統  

SiGe與劍橋定位系統(Cambridge Positioning Systems, CPS)聯合開發E-GPS系統，此系統把CPS基於網路的解決方案與SiGe的GPS晶片結合，最主要還是專注在室內定位。  

高通與SnapTrack推出gpsOne  

成立於1995年的SnapTrack是高通的子公司，成立以來即以GPS應用於無線通訊為發展重點，SnapTrack與高通合作，採結合手機端與系統端的混合解決方案作為無線定位服務之用。在手機端部分，由內建於手機中的高通MSM3300晶片組將GPS晶片組的低雜訊放大器、表面聲波濾波器(SAW Filter)、電感電容濾波器(LC Filter)、以及「gpsOne」處理器等關鍵零組件整合，讓手機具備接收衛星定位訊號之功能。另一方面，則在系統端加裝SnapTrack的MMASIC晶片組接收GPS訊號，再由系統端發射定位訊號至手機端，以解決多重路徑等訊號衰減的問題。高通早在2001年就推出gpsOne晶片組，因此在手機定位市場占有率相當高，據統計至2005年10月，全球具備gpsOne解決方案的手機已超過1.5億支。  

GPS晶片結合手機應用  

因美國發布E911法令，因此許多GPS晶片廠商均朝此方向努力，不僅如此，過去一些手機晶片廠商如高通、德州儀器、飛利浦等也相繼投入。目前的解決方案可採取從行動通訊服務基地台軟硬體升級，以及在終端手持式設備上加裝可配合局端伺服器的軟體及韌體，例如瑟孚即有相關解決方案(圖3)。  

AGPS晶片設計通常須要與手機晶片整合，因此GPS晶片廠商採取與手機晶片廠商進行合作。事實上在以往手機內建GPS功能主要還是由手機晶片廠商主導，主因在於手機晶片與GPS晶片的整合度與耗電量；但目前手機內建的功能越來越多，例如MP3與數位相機幾乎成為標準配備，甚至還有數位攝影機等功能，再加上龐大的手機作業系統，整體耗電量直線上升，現又加上GPS功能，因此功耗設計變得非常重要。  

GPS晶片定位若要求更準確，則必須增加相關器(Correlator)來提高靈敏度，但通常耗電量會增大，因此在手機設計漸趨複雜的情況下，個別晶片的耗電量降低雖是重點，但未來的設計方向也必定走向「系統耗電量」，如何在整體主被動元件之間取得耗電量的平衡點，將是重要關鍵，因此將GPS功能實現在手機上，仍將以手機晶片廠商為主導者。而由瑟孚購併摩托羅拉GPS晶片部門這件事看來，GPS晶片廠商若要進入手機領域，須與手機廠商取得更好的合作關係，瑟孚於此次收購案之後，似乎也取得與摩托羅拉在GPS手機研發上的合作關係。相較於瑟孚是以GPS晶片廠商投入AGPS，手機平台廠商德州儀器則採取雙核心解決方案，亦即在手機核心之外加上GPS基頻及射頻晶片(圖4)。  

由圖4可看出，德州儀器的GPS手機解決方案目前採外掛GPS晶片方式，但可看到此解決方案有兩個射頻區塊，且分別在GPS處理器及OMAP平台中皆採用ARM7及ARM9核心。這樣配置雖是目前的解決方案之一，但在電源的設計上須再加上電源管理等軟體，且在架構上相當龐大，會增加手機電路板面積，在手機輕薄短小的要求下，SoC的發展有其必要性，尤其目前GPS SoC更是GPS晶片廠商追求的目標。  

SoC為大勢所趨  

GPS晶片組的設計目前似乎以雙晶片組為主流，但隨著手機應用市場逐漸起飛的趨勢，美國E911法案僅是開端，未來手機內建GPS的需求將愈來愈普及，這當然牽涉到晶片大小、耗電量，以及手機本身晶片與天線的整合度，因此GPS SoC的發展有其必要性。  

SoC不僅可用在手機上，講求速度及耗電量的終端設備也必定愈來愈多，再加上技術成熟後，成本下降帶來效益，預計將有愈來愈多系統產品採用，因此未來GPS晶片的發展也必定走向SoC。  

以往包括摩托羅拉及新力(Sony)皆針對GPS SoC投入研發資源，而目前因摩托羅拉GPS晶片部門已被瑟孚收購，因此研發資源將會流向瑟孚，另外新力的SoC目前已相當成熟，圖5即是新力GPS SoC之架構，可看出前端射頻、基頻，以及控制器已整合。在射頻部分，將轉換器(Converter)、VCO、濾波器，以及鎖相迴路內建在SoC內，可大量降低外接零件數目。射頻部分將衛星訊號降頻至1.023MHz，經一低頻濾波器，訊號經由取樣後，以1.023MHz訊號進入基頻解碼處理器，並由外部溫度補償型振盪器(TCXO)提供精準的時脈訊號給基頻處理器，作為其基準時脈。  

在基頻解碼處理器部分，將訊號分為兩部分，擷取區塊(Acquisition Block)和追蹤區塊(Tracking Block)，並由ARM7來控制處理，在此SoC中，已整合RAM和ROM，可減少外部零件，從射頻降頻下來的中頻訊號會交由基頻做訊號擷取與追蹤。  

GPS晶片應用擴展至汽車市場  

GPS由軍用移轉至商用，起初是用於專業領域，後因美國政府開放使用權，最早應用在車用領域，主要因為休閒風氣漸盛，市場有此需求。但目前一般廠商要快速切入車用GPS並不容易，最主要的原因是車廠認證時間相當長，且必須通過屬於車機領域的QS9000與TS16949等高規格認證，因此若要切入這個市場，最好的方式是與車廠建立內建(In-car)的合作模式，但畢竟汽車產業相當封閉，這部分商機仍掌握在車廠手中。因此一般GPS廠商將目標專注於售後維修與改裝市場(After Market)，因為GPS模組化程度已相當高，因此要藉由改裝來達到此一目的是可行的。  

除上述車用導航應用外，其他包括個人休閒與專業應用也是典型領域，但較新的應用包括車輛及貨物追蹤、人身安全追蹤以及通訊應用等領域，在未來也將逐漸增加，而這些新應用將帶動GPS晶片變革，其中顯而易見的就是晶片面積必須愈來愈小，且整合的元件要愈來愈多，單晶片將是未來發展的重要趨勢。  

SIP為近期主流  

近幾年GPS晶片發展速度加快甚多，主因乃是許多殺手級應用不斷被發掘，也因此帶動GPS晶片發展，從過去的三晶片到雙晶片，到現階段的單晶片。首先要面對的挑戰就是如何將前端的SiGe BiCMOS製程與基頻的CMOS製程結合，目前是以RF CMOS為解決方案之一，但畢竟要整合類比與數位電路所需的深次微米CMOS技術難度較高，因此現階段GPS晶片廠商皆以系統級封裝(System in Package, SIP)方式來縮小封裝後的晶片體積，及節省電路板面積。  

在過去的發展中，將GPS晶片整合前端與後端而成SoC的廠商包括新力、摩托羅拉等，但單晶片的效能目前仍比不上雙晶片，且在成本及功耗上並不一定占優勢，因此SIP應是近期主要趨勢。放眼未來，手機內建GPS的趨勢會愈來愈明顯，因此許多手機晶片廠商不遺餘力研發AGPS。而針對手機需求的小面積、低功耗、兩種訊號干擾，以及必須與WiFi及藍芽等射頻元件整合等問題，未來GPS晶片設計將更趨複雜，進入門檻也將提高。  

(詳細圖表請見新通訊63期5月號)