便攜式GPS設(shè)備設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)及其發(fā)展趨勢(shì)分析

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司iSuppli的數(shù)據(jù)顯示，三大主要供應(yīng)商TomTom、Garmin和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的神達(dá)目前占全球便攜式導(dǎo)航設(shè)備80%以上的市場(chǎng)份額。作為GPS設(shè)備行業(yè)的后來(lái)者，盡管中國(guó)企業(yè)具有很強(qiáng)的生產(chǎn)成本優(yōu)勢(shì)，然而在系統(tǒng)方案選擇、電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，中國(guó)國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)工程師還普遍缺乏經(jīng)驗(yàn)。如何設(shè)計(jì)出滿足特定目標(biāo)客戶的需求，具有穩(wěn)定性、低功耗、高精度和易用性，工程師面臨很大的挑戰(zhàn)。

選擇適合您的解決方案

GPS方案大致可以分為三類：獨(dú)立于主處理器，所有的信號(hào)處理和算法實(shí)現(xiàn)都運(yùn)行在GPS芯片組上；部分GPS軟件運(yùn)行在系統(tǒng)主處理器上； GPS基帶處理和所有的算法由運(yùn)行在主處理器上的軟件完成，即所謂軟件解決方案。這些方案在性能、對(duì)系統(tǒng)資源的要求、成本以及設(shè)計(jì)難度上都存在差異，設(shè)計(jì)工程師需要根據(jù)他們特定的產(chǎn)品來(lái)選擇。“選擇解決方案之前，理解終端用戶的需求以及GPS解決方案將集成到的平臺(tái)非常重要。”瑟孚(SiRF)公司創(chuàng)始人兼營(yíng)銷副總裁Kanwar Chadha指出，“對(duì)于汽車應(yīng)用，導(dǎo)航性能是關(guān)鍵的考慮因素，對(duì)于便攜式系統(tǒng)，支持增值業(yè)務(wù)和不錯(cuò)的功能組合是需要關(guān)注的主要內(nèi)容。”

MCU的選擇是整個(gè)解決方案的核心之一。“對(duì)MCU的要求取決于采用什么樣的導(dǎo)航軟件以及操作系統(tǒng)，復(fù)雜的導(dǎo)航軟件要求MCU的運(yùn)行頻率超過(guò)200MHz，普通手機(jī)當(dāng)前所采用的硬件平臺(tái)來(lái)難以支持這么高的處理能力。”深圳星亮電子GPS產(chǎn)品經(jīng)理劉勇指出。通常系統(tǒng)設(shè)計(jì)公司或方案提供商與導(dǎo)航軟件公司合作，定制一個(gè)復(fù)雜度適當(dāng)、滿足特定需求的導(dǎo)航軟件版本。

為了進(jìn)一步減小尺寸和成本，很多的GPS提供商推出軟件解決方案，在這種解決方案中，基帶芯片集成到DSP芯片中。“但是這種解決方案目前還并不成熟，MCU在進(jìn)行部分的GPS處理時(shí)，性能將受到影響，特別是在搜星階段。” u-blox公司CEO Thomas Seiler指出，“將GPS基帶軟件整合到多媒體DSP中還增加了開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，推遲產(chǎn)品面市并增加整體的成本。” 上海豐寶電子科技有限公司汽車電子部經(jīng)理周青華認(rèn)為：“與軟件解決方案相比，硬件解決方案運(yùn)行速度快，不增加主處理器的負(fù)擔(dān)，但是軟件解決方案具有很明顯的成本優(yōu)勢(shì)。” 穩(wěn)定性是業(yè)界對(duì)軟件解決方案的最大擔(dān)心。“軟件算法不好的話，系統(tǒng)會(huì)花很多的時(shí)間才能把有用的數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)，會(huì)增加功耗而且系統(tǒng)出錯(cuò)的概率增加，因此如何使系統(tǒng)更穩(wěn)定是最大的挑戰(zhàn)。”瑟孚亞太區(qū)總裁林宏正指出。

市場(chǎng)上可選擇的方案越來(lái)越多，如何選擇一款滿足自己需求的產(chǎn)品呢？“你不能僅憑其方案說(shuō)明書來(lái)選擇，一定要在同樣的條件和時(shí)間，通過(guò)實(shí)際的路測(cè)來(lái)進(jìn)行逐項(xiàng)比較。” 林宏正表示。“很多時(shí)候單獨(dú)的模塊測(cè)試沒(méi)有任何問(wèn)題，而一旦進(jìn)行整體性能測(cè)試時(shí)，因?yàn)楦蓴_等因素，可能表現(xiàn)出性能不穩(wěn)定、抗干擾性能差等問(wèn)題。”西安華迅微電子市場(chǎng)經(jīng)理胡波也指出。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)分析

“開(kāi)發(fā)GPS系統(tǒng)以及將GPS集成到系統(tǒng)中非常具有挑戰(zhàn)性，設(shè)計(jì)工程師必須意識(shí)到可能面對(duì)的問(wèn)題。”Chadha指出。由于GPS信號(hào)非常微弱，任何干擾都可能嚴(yán)重影響到它的性能。這種干擾可能來(lái)自其它的無(wú)線電設(shè)備、顯示屏或其它處理器，因此需要設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中具有非常熟悉射頻設(shè)計(jì)的工程師。另外，GPS信號(hào)還非常敏感，更換任何一個(gè)器件都可能產(chǎn)生性能問(wèn)題，因此在開(kāi)發(fā)和制造過(guò)程中注意GPS系統(tǒng)的RF敏感性非常重要。當(dāng)前一些便攜式GPS設(shè)備面臨首次定位時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，“這主要與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、天線選用不當(dāng)有關(guān)。另外，電源、地線以及白噪聲過(guò)大和射頻干擾都會(huì)導(dǎo)致難以快速定位。”劉勇指出。盡管采用模塊解決方案可以避免GPS電路的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但電源對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)的影響一樣不可忽略。

Atmel公司高級(jí)行銷經(jīng)理Joerg M. Alber表示：“很多設(shè)計(jì)師還是傾向于選擇采用模塊解決方案，以回避自己利用芯片組可能帶來(lái)的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。”但他同時(shí)也指出，當(dāng)前的單芯片解決方案和參考設(shè)計(jì)也讓部分設(shè)計(jì)師選擇直接利用芯片組解決方案，以降低額外的模塊成本。劉勇認(rèn)為，模塊化方案可以滿足手機(jī)等便攜式產(chǎn)品越來(lái)越短的設(shè)計(jì)周期要求，因?yàn)槟K已經(jīng)將射頻以及周邊零組件集成進(jìn)去，而這些電路的設(shè)計(jì)是最具挑戰(zhàn)性的部分之一。他建議設(shè)計(jì)師需要考慮為天線占用更大的PCB面積，甚至將更多的成本預(yù)算放在高性能GPS天線上。

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，如何降低系統(tǒng)成本稱為廠商主要考量之一。地圖引擎通常占到整個(gè)方案成本的40％左右，因此這部分的成本壓力很大。“目前，全球前5大的PND廠商都自己開(kāi)發(fā)引擎。”林宏正指出。然而，這對(duì)于大多數(shù)企業(yè)來(lái)說(shuō)，必須綜合考慮其設(shè)計(jì)能力、產(chǎn)品整合能力、成本控制和批量。對(duì)于系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)也具有類似問(wèn)題，“對(duì)于軟件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，通常的問(wèn)題是如何將軟件與設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行整合。”Chadha指出。

技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著GPS越來(lái)越多地應(yīng)用在手機(jī)、PMP，甚至是像手表這類便攜式產(chǎn)品中，解決方案的低功耗和小尺寸已經(jīng)成為設(shè)計(jì)考慮的重要因素之一。“目前我們已經(jīng)采用了90納米的半導(dǎo)體工藝，未來(lái)我們將采用65納米技術(shù)生產(chǎn)我們的芯片，將進(jìn)一步提高效率，并降低芯片的尺寸。”林宏正表示。“更高的半導(dǎo)體集成和低功耗將使GPS在更廣泛的消費(fèi)設(shè)備中得到應(yīng)用。” Chadha認(rèn)為。“隨著技術(shù)創(chuàng)新的不斷發(fā)展，新的硅技術(shù)和硬件架構(gòu)將進(jìn)一步降低成本。” Seiler指出。“我們也正在開(kāi)發(fā)一些新的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)便攜式導(dǎo)航系統(tǒng)具有與汽車系統(tǒng)相似的性能。”Chadha表示。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展同時(shí)還將帶來(lái)解決方案的改變，隨著處理器處理能力的不斷提升，未來(lái)軟件解決方案將可能獲得更多應(yīng)用。

包括中國(guó)北斗系統(tǒng)、歐洲的伽利略系統(tǒng)將在未來(lái)幾年進(jìn)入實(shí)用，這些系統(tǒng)的出現(xiàn)將改善定位的可靠性和精度，全球主要的GPS方案提供商均已經(jīng)或即將推出能同時(shí)支持多種系統(tǒng)的系統(tǒng)解決方案。例如，u-blox公司即將于第四季度推出的第五代解決方案u-blox 5將能支持歐洲的伽利略系統(tǒng)。“多種衛(wèi)星系統(tǒng)的出現(xiàn)將改善定位技術(shù)的可靠性。”Chadha表示。

此外，與多種無(wú)線通信技術(shù)的結(jié)合也必將促進(jìn)定位技術(shù)的發(fā)展。瑟孚聯(lián)合Skyhook Wireless基于該公司的多模定位平臺(tái)，推出了無(wú)線混合定位技術(shù)，可以提供GPS－WiFi混合定位。該技術(shù)可以加快某些基于定位的業(yè)務(wù)的部署，提高定位的覆蓋率。“將GPS與其它傳感器、信號(hào)結(jié)合，將使位置信息在任何地點(diǎn)及時(shí)準(zhǔn)確地獲得。”Chadha指出。

當(dāng)前，部分GPS已經(jīng)將無(wú)線通信與定位技術(shù)結(jié)合起來(lái)，例如通過(guò)下載星歷數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速定位。顯然，定位技術(shù)與通信的結(jié)合還有更大的想象空間，運(yùn)營(yíng)商和終端開(kāi)發(fā)商以及大量的第三方開(kāi)發(fā)商可以基于現(xiàn)有的基礎(chǔ)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更多富有創(chuàng)意并具有廣闊盈利能力的業(yè)務(wù)、功能和應(yīng)用，例如基于定位的游戲、信息服務(wù)、廣告等。而無(wú)疑，風(fēng)生水起的第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的部署將為GPS移動(dòng)終端帶來(lái)這樣的發(fā)展契機(jī)。