隨著越來越多的設備變得移動，定位是嵌入式設計中越來越重要的一部分。將此功能添加到必須更小，更輕且電池壽命更長的設備中是一項重大挑戰。與此同時，在滿足項目時間表和認證機構的要求的同時，實施高性能，低功耗的有效無線設計也面臨著挑戰。

新一代正在應對這些挑戰使用最新小型化技術的無線模塊利用全球各種全球定位系統（GPS），GPS模塊的占地面積在過去幾年中急劇下降。

GPS有幾個品種，包括美國GPS，歐洲伽利略，俄羅斯GLONASS和中國北斗系統。來自各種供應商的現代無線芯片組可以訪問所有這些衛星系統，硅制造技術的進步提供了對所有這些系統的訪問。

然而，這些設備仍然必須集成到設計中，有些關鍵部件如SAW濾波器無法集成到硅片中，因此限制了純硅片的小型化程度。

硅器件的集成有助于降低功耗，盡管RF和數字集成存在挑戰，但這意味著最先進的工藝技術并不合適。還存在靜電流泄漏的問題，其增加了系統中的功率和噪聲處理，這意味著需要更多功率來獲得所需的性能。更高的功耗意味著產生更多的熱量和更大的電池;兩者都限制了可能的小型化程度。

這一點至關重要，因為物聯網（IoT）等應用程序的GPS模塊的使用可能依賴于追蹤高價的小標簽。世界各地的價值物品 - 標簽越小，跟蹤系統就越有效。該系統可能還需要使用微型電池運行數年，這使得功耗成為尺寸和性能的關鍵因素。

同樣，對于可穿戴系統，客戶要求終端系統不顯眼，非侵入式，驅動設計盡可能小和節能。

雖然人們認為GPS設計的最佳實現是板上的定制實現，但模塊制造商允許將更多技術集成到一個小型封裝中，不僅可以減少整體占用空間，他們還提供預先認證的組件，以減少項目的合規時間并縮短產品上市時間。

能夠將芯片級封裝用于接收器和電源管理芯片，并將其他無源器件集成到針對功耗進行優化的基板中，使系統設計人員能夠使用成本更低的雙層打印可以輕松制造的電路板，而不是一種能夠提高制造工藝公差的復雜定制設計。

這是生產這種推動小型化極限的電路板的關鍵問題。為了獲得具有定制布局的最小設計，芯片級IC和分立元件意味著突破制造公差的極限，增加了單元問題的風險并降低了產量。降低保護容差也會對RF前端產生更大的影響，可能會增加噪聲并影響整體性能。

Telit是機器對機器系統的主要供應商，因此應用了最新的小型化技術，最新的GPS模塊。

Jupiter JF2尺寸為11 x 11 x 2.6 mm，采用32引腳焊盤QFN（四方扁平無引腳）封裝，重量僅為1克，可集成到重量嚴重的系統中。 JF2的核心是SiRFstarIV集成硅接收器，它與其他關鍵組件相結合。

該模塊的一個主要優勢是它可以與Telit的蜂窩和短程無線模塊無縫集成為機器對機器（M2M）和物聯網（IoT）設計提供靈活的解決方案。 1.8 V電源和低功耗模式使其可用于從車隊監控到電池供電健身設計的應用。

圖1：Telit的Jupiter JF2模塊尺寸為11 x 11 x 2.6 mm。

盡管體積小，但該模塊已經過優化以提供靈敏度穩定性，特別是在-40和85°C的極端情況下，在采集時保持低至-147 dBm的性能，在跟蹤衛星信號時保持-163 dBm。它還提供單衛星采集UTC時間信號以及48通道信號采集和數字信號處理。

微型GPS設計的關鍵要素之一是它能夠以多快的速度獲得修復衛星。 JF2具有多種待機模式，包括TricklePower，Push-To-Fix和Micro Power，旨在滿足位置更新和功耗之間的不同要求。所有這些模式都相似，但提供不同的輸出速率和可靠性，從休眠模式下的14μA到跟蹤模式下的10 mA。

該模塊還具有TricklePower工作循環模式和用戶可選擇的位置更新間隔，以降低的平均電流消耗提供高質量的GPS精度和動態運動響應。 Push-to-Fix模式提供不頻繁的周期性位置更新，并且還允許來自用戶的位置請求具有較短的首次定位時間（TTFF）。微功耗模式使接收器保持在熱啟動條件下，同時最大化在極低功耗狀態下所花費的時間。

集成模塊必須盡可能簡單，JF2具有1.8 V單電源，具有故障安全I/O，包括RTC和TCXO輸入以及主機I2C，SPI和UART支持，以及可選SPI閃存或串行EEPROM外部存儲器，可安裝在經濟高效的雙層電路板上。

來自Embedded Artists的FGPMMOPA6H使用MediaTek的MT3339 GPS芯片組，其靈敏度為-165 dBm，具有低功耗的即時首次定位（TTFF），可實現精確的GPS信號處理。

圖2：嵌入式藝術家的FGPMMOPA6H模塊。

3.3 V 15 x 15 mm模塊針對平板電腦等手持設備，以及M2M應用和資產管理和跟蹤，并使用POT（Patch On Top）架構。這將微帶天線放置在陶瓷模塊的頂部以獲得緊湊的解決方案，但該模塊還增加了額外的外部天線I/O.為了幫助獲得最佳性能和最低功耗并支持最小尺寸，該模塊還具有自動天線切換功能，短路保護和“天線顧問”，可幫助檢測和通知不同的天線狀態，包括有源天線連接，天線開路和天線短缺。

多達12個多音有源干擾消除器選項為系統設計提供了更大的靈活性，該模塊最多支持210個通道 - 66個用于搜索和22個同步跟蹤通道。

所有這些都有助于實現82 mW的采集功耗，跟蹤功耗為66 mW。

Taiyo Yuden的3.3 V GYSFFMAXX GPS模塊同樣使用MediaTek GPS接收器MT3329，并集成了晶體，振蕩器，SAW濾波器和低噪聲放大器，使系統小型化，占地面積為10.8 x 10 mm，高2 mm高屏蔽。

圖3：Taiyo Yuden的金屬屏蔽GYSFFMAXX GPS模塊。

一些模塊也旨在使原型設計更容易。如果您已經使用Mikroelektronika的MikroBus板系統，那么可以使用GPS模塊。 GPS Click附件板使用17 x 22 mm LEA-6S u-blox 6模塊，采用3.3 V電源供電。電路板可以通過UART或I 2 C與微控制器連接，也可以通過USB連接使用PC應用程序獲取數據。

圖4：在MikroBus原型系統中使用LEA-6S GPS模塊。

結論

隨著對小型化的需求，GPS模塊的占地面積一直在下降M2M和物聯網設計的增加。從17 x 22 mm模塊向下移動到10 x 10 mm，現在為5 x 5 mm，這是硅片集成度提高和電壓降低的結果。

轉向較小的模塊需要更多地關注噪聲和電源管理，但允許具有有限RF體驗的系統設計人員在空間非常寶貴的情況下快速輕松地添加定位功能。現在可以集成SAW濾波器，放大器甚至貼片天線，而不會增加制造工藝的復雜性，使用這些模塊來維護簡單的雙層電路板設計并減少合規性所需的時間。