Где в смартфоне навигационный чип? Часть 1
Если спросить разработчика-железячника чем ему нравится его работа, многие ответят, что возможностью пощупать результат своего труда. Это приятное чувство, когда плата в руках. Она точно такая, как ты её представлял, как ты её придумал. Моргает светодиодами, впивается в руку острой гранью, оставляет след. Это не «бездушный софт», который не покажешь ребенку и не положишь под стекло на выставке.
Но у меня есть ощущение, что эта радость постепенно уходит в прошлое. Покажу на примере приемников спутниковых навигационных систем.
Что такое ГНСС приемник? С системной точки зрения, это один из трех компонентов системы в одном ряду с сегментом космических аппаратов и сегментом контроля и управления.
Навигационный приемник — это устройство, которое:
находится у пользователя,
принимает сигналы спутников и
предоставляет на их основе PVT (position, time, velocity) сервис
Но где границы этого устройства? Если пользователем выступает человек, то от приемника потребуются экран и кнопки. Если потребитель — это другой элемент комплекса, то может быть достаточно посылки нескольких байт по проводному интерфейсу. Включать ли в навигационный приемник блок питания? Обязателен ли ему корпус? Является ли навигационным приемником программа, запущенная на персональном компьютере, и обрабатывающая запись сигнала? А сигнальный процессор, обрабатывающий предварительно перенесенный на промежуточную частоту и оцифрованный процесс?
Что такое типичный навигационный приемник в 2022 году?
По оценкам на 2021 год из 6.5 млрд навигационных приемников, которыми пользуется человечество, около 6 млрд находятся в смартфонах, планшетах, умных часах и подобных устройствах. Такое количественное распределение, несмотря на низкую стоимость приемников этого типа, приводит к соответствующим финансовым показателям. Ещё недавно около 40% выручки от продаж навигационных приемников приходилось на компании Qualcomm и Broadcom, специализирующихся на микросхемах для мобильных устройств.
Если ещё несколько лет назад прием ГНСС сигналов осуществлялся отдельным чипом, то сейчас производители пошли по пути объединения функций в системах-на-кристалле (СНК, англ. System-on-Chip). Такие микросхемы заменяют модули различного назначения: процессоры сигнальной обработки, приемники, видео акселераторы, процессоры приложений и т.п. Лидерами по производству систем-на-кристалле являются такие компании как Apple (серия A), Qualcomm (серия Snapdragon), Broadcom, MediaTek (серия Helio), Samsung (серия Exynos), Huawei (серия Kirin).
iPhone 3G и 3GS
Рассмотрим как эволюция навигационных приемников мобильных телефонов привела их в состав микросхем общего назначения на примере линейки смартфонов Apple iPhone.
Плата телефона Apple iPhone 3G с размещенной на ней микросхемой навигационного приемника Infineon PMB 2525
Первым iPhone’ом, получившим спутниковую навигацию, стал вышедший в 2008 году iPhone 3G. Телефон был построен на базе 32-битного процессора от Samsung и содержал множество специализированных микросхем. В качестве одной из таких микросхем использовался отдельный GPS-чип Infineon PMB 2525 Hammer-head II (извините за ссылки на мусорные сайты, официальные недоступны из России). Размеры чипа составляют 3.59×3.75 мм, для производства использовался технологический процесс 130 нм. В корпусе объединены и радиочастотный блок, и блок цифровой обработки, что существенно упрощает использование такого решения в мобильном телефоне с высокой плотностью расположения элементов. Разработчику остается обеспечить питание, тактовый сигнал, интерфейс к основному процессору, фильтры и антенну.
В приемнике PMB 2525 реализована технология A-GPS, позволяющая получать данные о движении спутников и время с помощью сотовой сети, с помощью чего сокращается время старта. Время получения первого решения (англ. TTFF — time to first fix) — одна из базовых характеристик приемника, численно выражающаяся в количестве секунд от включения приемника до получения пользователем первых оценок координат. Производителем Infineon PMB 2525 заявлено, что при использовании технологии A-GPS и доступности сотовой сети, время получения первого решения составляет одну секунду. Естественно, к таким заявлением производителя стоит относиться с долей скепсиса, т.к. такие характеристики вне лабораторных условий маловероятны и являются оптимистичными даже на сегодняшний день. В отсутствии сотовой сети TTFF составляет около 30 секунд.
Другая важная характеристика, заявленная в документации на приемник, — чувствительность, т.е. способность приемника работать при низком уровне сигнала. Численно она выражается в минимально допустимой мощности сигнала на выходе антенного элемента и составляет для данного приемника минус 160 дБм (дБм — отношение рассматриваемой мощности к 1 мВт, выраженное в дБ) в режиме слежения. Иначе говоря, приемник сдастся, только когда мощность одного навигационного сигнала упадет меньше 100 зептоватт (100×10–21). Высокая чувствительность особенно актуальна в сотовых телефонах, т.к. в них используются миниатюрные антенны с изрезанными диаграммами направленности и большими потерями. В iPhone 3G она к тому же объединена с антенной WiFi и BT.
Структурная схема Apple iPhone 3GS
Аналогичный чип Infineon PMB 2525 продолжил использоваться в следующем Apple iPhone 3GS
iPhone 4 и 4S
Существенным шагом вперед стал выпуск Apple iPhone 4 в 2010 году. Большой экран, производительные процессоры, новые камеры, новые стандарты связи, увеличение времени автономной работы — всё это требовало увеличения размеров аккумулятора. Чтобы освободить место под батарею, начали сжимать электронику. Плата iPhone стала в несколько раз меньше по сравнению с предыдущим поколением, разместилась с боку от аккумулятора. Она приобрела вытянутую форму, характерную для современных телефонов, с плотным двусторонним монтажом. Антенны, в том числе и ГНСС, стали частью металлического корпуса телефона.
В условиях дефицита площади на печатной плате, число специализированных микросхем резко упало. Их начали объединять в единые системы на кристалле. Так, iPhone 4, содержал первый СНК Apple A-серии, а именно Apple A4. На одной кремниевой подложке объединились и процессор приложений ARM, и графическое ядро, а к ним на этапе сборки микросхемы добавлялись кристаллы SDRAM оперативной памяти.
Apple iPhone 4 выпускался в двух версиях для использования в разных сетях связи: GSM и CDMA, но эти версии отличались и навигационными приемниками!
В версии GSM использовалась специализированная микросхема навигационного приемника Broadcom BCM4750
ГНСС-чип Broadcom BCM4750 на плате телефона iPhone 4 версии GSM (металлический защитный экран снят, источник ifixit.com)
Как и Infineon PMB 2525, чип от Broadcom являлся микросхемой высокой интеграции, он содержал радиочастотный блок диапазона L1 GPS и блок цифровой обработки. Микросхема выполнялась по технологическому процессу 90 нм, в цифровой части содержала процессор, 24 корреляционных канала и блок быстрого поиска. Производитель заявляет чувствительность слежения на уровне минус 162 дБм и всё ту же активную работу с A-GPS.
Особый упор в продвижении микросхемы делался на её низкое энергопотребление, которое в режиме слежение могло опускаться до 13 мВт. В носимых приложениях энергопотребление приемника выходит на первый план, т.к. определяет время пользования устройством от зарядки до зарядки. Средний расход 13 мВт является прекрасным показателем и достигается в режиме периодического включения модуля. В телефон устанавливался литий-полимерный аккумулятор с напряжением 3.7 В и емкостью 1420 мАч, от которого бы данный приемник, в теоретическом пределе, мог бы работать до 100 часов. Для сравнения, специализированные помехоустойчивые приемники имеют потребление на 3 порядка выше, а значит расправились бы с таким аккумулятором в одиночку за пять минут.
В CDMA версии разработчики отказались от специализированного чипа и реализовали функции навигационного приемника с помощью микросхемы Qualcomm MDM6600. Эта микросхема — в первую очередь сотовый модем, и, что необычно для многоканальных больших модемов того времени, он содержит в одном корпусе как аналоговую, так и цифровую части. В этой микросхеме совмещается многоканальный радиочастотный блок HJ11-VF535–200 (т.н. RF transceiver), один из каналов которого настроен на GPS L1, и блок цифровой обработки HJ11-VJ130 (т.н. baseband processor). В основном он загружен работой с сотовыми сигналами, но помимо этого, обрабатывает и сигналы GPS С/A. Корпорация Qualcomm назвала соответствующий набор программно-аппаратных средств IZat gpsOneGen 8, и, как видно по индексу, это не первый навигационный приемник компании.
Чип Qualcomm MDM6600 на плате Apple iPhone 4 версии CDMA (источник ifixit.com)
Стоит отметить, что со связным модемом объединили в первую очередь ГНСС, а не такие технологии как WiFi или Bluetooth. Причина в активной поддержке работы навигационного приемника от сотовой сети. Для быстрого старта ему нужна информация о текущем времени и эфемериды спутников, всё то, что предоставляет A-GPS посредством сигналов сотовой сети. Оказалось проще и надежней реализовать навигацию в сотовом модеме, чем налаживать взаимодействие между модемом и отдельным навигационным чипом. Работа инженеров положительно сказалась на опыте использования устройства, потребители отметили лучшую работу навигации в CDMA версии телефона: он быстрее давал первое решение и лучше работал в сложных условиях.
Ещё одной новинкой в iPhone 4 стал трёхосевой гироскоп STMicroelectronics L3G4200D, что вместе с акселерометром позволяет реализовать, например, пешеходную систему счисления пути (PDR).
Модель iPhone 4S, вышедшая в 2011 году, получила поддержку ГЛОНАСС за счет использования обновленной микросхемы сигнальной обработки Qualcomm MDM-6610 и доработки программного обеспечения. ГЛОНАСС использовался в дополнение к GPS в плохих условиях приема: при низком отношении сигнал/шум или малом числе видимых спутников. В телефоне использовался трёхосевой гироскоп STMicroelectronics L3G4200D и трехосевой акселерометр STMicroelectronics LIS331DLH.
Таким образом, мы наблюдаем шаг объединения в одной микросхеме разных систем, после которого вычленить навигационный приемник, посчитать его стоимость, потребление, размер, можно лишь косвенно. При этом версия навигационного приемника может обновляться вместе с прошивкой телефона, которая за время жизни модели успевает пройти около сотни версий.
Как эволюционировали навигационные приемники в последующих моделях сотовых телефонов Apple рассмотрим во второй части статьи. Stay tuned:)
