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手持式GPS方案撷英及其设计考虑
作者:Raymond Su    来源:电子工程专辑
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移动导航技术已不再限于汽车应用,位置跟踪功能将是手持式消费电子市场其中一个最引人注目的新兴技术。让用户知道自己身处的位置,这种功能将带动消费者市场对相关服务的需求。PND正在向纳入多种无线技术和定位服务发展,同时仍然保持着经济实惠的特点。蓝牙已经迅速扩展到了个人导航设备中,主要提供免提式解决方案。Wi-Fi已经用于Web访问、电子邮件访问、室内定位(当在室内无法获得GSP定位时),并以无线方式提供内容和地图更新。另外,通过提供持续连接,蜂窝技术已经扩展了Wi-Fi实现的功能。这就提供了新的定位服务,如本地汽油价格、天气信息、交通信息和交友型应用。

从市场角度来说,单纯的PND会越来越少,多重功能的PND是一大趋势,包括多媒体+PND,移动电视+PND,通讯+PND器件等。A-GPS主要用于手机GPS中,在国外手机GPS普及的同时,已经成为一个必然用到一项技术和功能,可以提高俘获灵敏度,实现快速定位等。

技术挑战与设计考虑

要在消费电子应用中引入GPS 功能,工程师需要克服以下挑战:首先是一些与嵌入式GPS应用的基本约束,例如设备尺寸要小、功耗要低,以及价格要便宜等,而且还要最大限度地提高性能和精度。此外,电池寿命和在信号强度低的地点仍拥有精确可靠的位置侦测能力也是非常重要。SiGe半导体亚太区市场总监高国洪则指出,基于软件的 GPS技术拥有足够能力,以应付上述要求。理论上要实现这种位置跟踪功能,只需要一个高敏感度的无线电设备,供载有GPS核心软件的处理器正确收发信息即可。虽然市场上已出现这一类解决方案,但是大部分应用处理器只有有限的MIPS资源,不能完全同时执行GPS软件和处理器内核本身的功能。

功耗对于手机和PND来说是十分重要的。因为芯片要跟许多其它功能共享能源,而设备也不断加入新的功能,所以对功率的预算(也就是通话时间)要求非常严苛。手机须在GPS信号十分弱的情况下接收信号,虽然GPS功率分散并不造成任何问题,在小型手机内的GPS还是需要精密的设计,令其即使处于大量较强的本地干扰源,仍然能够可靠地测出很弱的信号。在手机和PND的OEM厂商仍然使用每小时900mA的电池的前提下,电池寿命不能因为附加功能而有所缩减,所以需要只取用小于电池寿命百分之一电源的GPS产品。

此外,支持数字音频和视频功能的需求也带来架构体系的演进,令设备必须具有足够的处理能力和存储器资源来实现这些服务。只要充分利用同样的处理和存储器资源,便能够以成本低廉的方式实现基于软件的GPS技术。随着近期GPS技术出现几项创新,以及消费电子设备的演进,使得在诸如手机和PND这些成本极端敏感的应用中实现位置跟踪服务成为可能,而最近数码相机市场引入了GPS技术以支持地理标记(Geotagging)功能,就是一个例子。而且,通过实施利用独特的信号或环境条件的新算法,可以延长无线电通信架构的服务期限,并继续改进精度和跟踪灵敏度等特性。

如前提及,导航功能与多媒体相结合,移动电视相结合,手机通讯相结合是PND的趋势;而A-GPS主要用于手机导航定位的器件中,这在国外已经相当普及,但在中国,由于A-GPS的服务器端需要由电信服务商提供服务,这方面的工作还在建设中,A-GPS正处于逐渐普及应用的时期,人们在GOOGLE、NOIKA手机上已经可以看到A-GPS的应用。

西安华迅微电子的总经理周文益认为,PND的设计目前几乎不存在太多难以克服的挑战,以前的设计挑战包括2.8寸屏以下的小尺寸,小尺寸天线,以及支持不同OS的地图等都已基本解决,市面上可以买到各种各样的PND产品。而A-GPS的设计挑战是A-GPS 包括时间及频率辅助和星历辅助。时间及频率辅助在移动终端上实现。 精确的时间辅助在GSM, 及其它的TDMA网络中比较难于实现,需要实现专门的时间同步技术。相反,精确的时间辅助在CDMA, WCDMA和CDM2000实现起来较直接。星历辅助一般由服务器完成。有用户平面(user plane)和控制平面(control plane)两种。由于A-GPS服务器进入控制平面的技术和商务门槛较高,因此目前使用用户平面的A-GPS服务器较多。

半导体解决方案

GPS芯片大厂博通(Broadcom)公司最新设计开发了用于PND的BCM4760单芯片方案。据博通GPS产品线高级经理Walter Rivera介绍,该单芯片内置浮点单元和图形处理单元的700MHz ARM11内核。面向安全性和图形的硬件加速器尽可能从CPU分担计算密集型任务,如用于实现Wi-Fi安全性和Web浏览的OpenSSL以及用于3D图形绘制的OpenGL。更大的32K/32K L1高速缓存容量以及具低延迟DMA引擎的优化总线矩阵架构使这个处理器能够超过同一系列中的其它产品。

BCM4760直接从一个8位宽的SDIO/MMC4.3端口启动,能使系统迅速开始工作,并因无需单独的、用于启动的ROM器件而节省了成本。这种高集成度还可以在很多方面带来成本节省。单个TCXO可以用作单个时钟源,供包括CPU、GPS和各种子系统在内的整个系统使用。另外,还向外部蓝牙器件提供一个外部时钟输出,从而减少了附加的晶体振荡器组件,节省了成本。BCM4760支持双路麦克风输入以及集成式DAC、混频器和耳机放大器的全功能编解码器可大量减少外部组件。GPS基带、RF和LNA全部集成进来了,因此,除了某些应用可能需要一个SAW滤波器以外,无需外部GPS组件。

另外,SiGe半导体也是GPS/GNSS接收器IC领域公认的领导厂商。SiGe的高集成度无线射频前端接收器系列是基于获得公认的软件接收器架构,可在宽泛的低成本应用中提供高性能、低功耗运作。SiGe半导体的首款产品是SE4100L,以这款器件的成功为基础,SiGe业已增添了五款产品,使该系列现在包括四种GPS接收器IC和两种全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)接收器IC,它们包括SE4110L、SE4110S、SE4150L ,SE4120L和SE4120S等。

其中,SE4110L接收器IC经专门设计,瞄准PND和高灵敏度L1频带GPS和A-GPS系统,它采用4x4mm 24 pin QFN封装。SE4110S 的功能特性与SE4110L 相同,不过采用微型2.2 x 2.2 x 0.3mm的46 焊盘芯片级封装(Chip-scale package, CSP),据称是市面上唯一采用这种小占位面积封装的射频器件,可以集成进其它接收器产品无法适合的电子产品中。

SiGe半导体的产品系列还有世界首款带有软件I&Q接口的GPS和伽利略卫星(Galileo)GNSS接收器IC产品SE4120L,此产品亦提供CSP封装的型款,编号为SE4120S。SE4120L和SE4120S均支持GPS和双模L1频带GPS/Galileo产品,它们带有一个可调节接口,可用于GNSS基带信号处理的软件实现方案。两款器件均包含一个片上LNA、一个带线性AGC的低中频(IF)接收器和一个先进的带串行数据输出的多比特位I/Q ADC。接收器还整合了一个完全集成的图像滤除混频器,可在很多应用中省去SAW滤波器。SE4120 S/L内置的IF滤波器带宽可从2.2 MHz BW (仅用于GPS)调节到4.4MHz BW (可用于同时接收GNSS和GPS信号)。集中在近零IF的数字化I/Q输出则可用于串行数据流,以简化软件信号处理。

在GPS芯片领域,华迅微电子当属本土IC设计公司的代表。其总经理周文益表示,华迅的基带芯片最大的特点应该是即将与中国的北斗二代兼容,这样可以在许许多多特殊应用中发挥独特的作用。华讯的GPS芯片分射频芯片和基带芯片,其中射频芯片集成了LDO或DC-DC电源管理电路,自控制AGC,2位/4位的ADC,模拟基带电路,以及频率覆盖1.1G-1.7G的本振内核,可以支持GPS/北斗二代的频点,具有很低的功耗,整体性能可以排入国际前三位;同时,由于用到最少的外围元器件,使得系统成本进一步降低,应用灵活性进一步加强;华迅的A-GPS技术兼容各种A-GPS标准。因此华迅二代GPS芯片可接受各种符合标准的A-GPS服务器的辅助信息。它可用于GSM, CDMA和3G网络。

据了解,华迅二代GPS芯片针对设计的启动速度,整体成本,灵敏度/精确度,功耗方面的特点包括:启动速度主要表现在冷启动时间在强信号的环境下小于38秒,在弱信号下小于1分钟;如果在A-GPS的技术辅助下,冷启动时间缩小到1-3秒;而灵敏度是俘获/跟踪分别为-147dBm/-161dBm,精度在强信号下约为CEP值2.5米;芯片的整体成本已经小于2美金;华迅二代的射频芯片功耗已经控制小于12mA,低功耗的芯片甚至可以达到7-8mA, 属于国际最小的GPS射频芯片功耗水平;而数字处理芯片的电流小于30mA, 通过低功耗技术,可以进一步降低到小于20mA左右。华迅二代GPS芯片能接受各种A-GPS协议, 如GSM的RRLP、CDMA的IS-801A、3GPP的RRC以及SUPL。在时间及频率辅助上可以实现精辅助和粗辅助中的任何一种。

周文益另外透露,目前国内主要的第三方设计公司包括远峰、爱培科、盈科创展、汇科盛数码、安普捷、中环集团、利达通、神州掌讯、盛龙微、美赛达、达思通、好帮手、正源等,这些厂家的总和占了中国导航芯片市场的70%以上。PND/A-GPS芯片供应商与第三方设计方案公司的合作方式包括芯片供应商单纯提供芯片,提供由芯片设计成模块,合作开发系统产品方案,和提供整体的解决方案四种形式。华迅公司在早期采用和第三方合作开发方案产品的模式来验证公司的芯片,以及在系统中应用的可行性;例如华迅曾与国内一家PMP芯片提供商共同开发一款PMP+GPS的方案产品,与此同时,也与地图供应商合作开发一款针对非主流OS系统的地图软件,这种合作实际上是三方共同参与的合作。华迅公司同时也独立提供产品的整体解决方案,与下游方案厂家或生产厂家合作。除此外,华迅也提供GPS IP核,以使GPS功能直接植入到PMP芯片或手机AP芯片中,以可以提供1美元的导航定位方案。

软件GPS大有可为

一般而言,基于软件的GPS方案跟随PC软件调制解调器的发展步伐,而由于调制解调器拥有充足的处理资源,工程师可以省去许多硬件组件,从而显着减小对于系统BOM的影响。PND和手机等多媒体使能设备本身已有用于显示位置信息的彩色LCD,以及承担基带处理任务的功能强大的主处理器,所以情况与调制解调器大致相同。事实上,实现GPS位置跟踪所需的唯一新硬件只是一个RF收发器和天线。

软件GPS解决方案的主要优势是降低成本和降低功耗。SiGe半导体是首个推出带有用于软件GPS应用的内置接口的GPS无线电IC的厂商,其由软件定义的射频(RF)方案配合基于软件的信号处理技术的成本较采用专有硬件基带组件的传统方案要低得多。软件方案能够运用消费电子产品的应用微处理器的现有处理能力,有效地执行关联和导航功能。比如,前述的SE4120接收器经该公司专门设计,以整合软件解决方案所需的功能。

控制成本

手机或PND的主处理器本身必须有足以解码音乐流和视频流的能力,而当这些服务不使用时,应用处理器的一部分将处于闲置状态,可用于基带处理。由于它们已是架构体系的组成部分,所以使用这些处理周期无需附加成本。

软件GPS产品提供了许多与硬件模块相同的集成优势,特别是解决大多数RF设计问题这一方面。RF接收器直接连接着主处理器,以软件方式仿真传统GPS硬件基带功能,可显着简化集成过程。对于大批量应用, RF接收器模块更可以用作参考设计,直接集成在设备中。对于工程师来说,要为PND等设备增添位置跟踪功能,通常可从RF硅器件供应商处获得工程技术资源,以便简化设计过程。

在除去单独的基带微处理器和其相关存储器,GPS接收器成本节省可达80%,显着降低了增加位置跟踪功能的边际成本,使位置跟踪功能有更大机会带入更广泛的低成本消费产品中。基于这样的成本计算,只要这些消费电子产品具有彩色屏幕和足够强大的主处理器,就可以加入GPS功能。今后,软件基带方案将会提供便利,促进各种无线技术——从GPS到蓝牙和Wi-Fi在单一平台上的进行具成本效益的融合。

降低功耗

SiGe半导体拥有丰富的开发经验和系统架构,以及具有高集成度的产品系列,在应对手机或PND子系统实现低功耗技术挑战时占有优势。

SiGe的软件GPS无线电解决方案具有灵活的特性,能够获得与纯硬件设计相同的精度,可让设计人员通过调整处理和节能技术,以满足各种应用特定的成本、功率和性能规范要求。由于是以软件方式实现这些功能差异,所以单一的硬件无线电架构可以用于多种多样的应用,让OEM厂商获得更好的规模经济效益。相比之下,传统硬件GPS模块开发人员面临的挑战则是,要不是维持数个RF硬件模块设计,就是维持一个用于多种应用的普遍化单一硬件设计,结果使每种应用的效能都变得差强人意。

据SiGe半导体的高国洪介绍,在SiGe半导体所遇到的一个实例中,通过提高软件接收器的信噪比(signal-to-noise ratio, SNR),便能够获得更好的位置精度。现场试验显示,只要灵敏度方面加入3dB差异,软件方案就能够追踪较少的卫星,同时又能够获得更精确的位置精度。

设计人员可以运用许多技术,在最差运作条件下减少处理负荷,恰当地实现灵敏度和功耗之间的平衡。虽然主处理器周期可用于基带处理,但这依然会产生功耗。对于手持式应用,电池寿命是一个重要的因素,所以只要着意地维持合理的精度,系统就可以更频繁地让主处理器处于待机模式以节省电能。软件基带处理方案的主要优势之一,就是它能够分别控制系统的不同部件,灵活地实施创新节能技术。

此外,新技术可以用于现有的设计,而无需负担昂贵的硅器件重新流片成本。在消费电子产品中采用软件GPS,可能会使对RF经验较少或完全缺乏经验的设计人员畏缩不前。事实是RF无线电的优化仍然是模块OEM厂商的任务,只要OEM厂商能够提供参考设计和相关的设计建议,便能够实现出色的结果。所不同的是主处理器所接收的是基带信号,而不是固定位置数据(来自单独的GPS接收器)模块,或伪距(pseudo-range)测量数据(来自硬件GPS相关器),而且也无需开发或微调RF无线电或基带软件。设计人员的优化工作将集中于如何将基带处理软件合适地集成进现有设计中,因为现有数个架构和实施决策——包括在最差运作条件下维持性能和精度,同时实现功耗最小化,这对灵敏度、性能、精度和功耗带来了极大的影响。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (10/5/2009)
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