便攜式GPS設備設計挑戰(zhàn)及其發(fā)展趨勢分析

根據(jù)市場調(diào)研公司iSuppli的數(shù)據(jù)顯示，三大主要供應商TomTom、Garmin和中國臺灣地區(qū)的神達目前占全球便攜式導航設備80%以上的市場份額。作為GPS設備行業(yè)的后來者，盡管中國企業(yè)具有很強的生產(chǎn)成本優(yōu)勢，然而在系統(tǒng)方案選擇、電路設計和系統(tǒng)設計方面，中國國內(nèi)開發(fā)工程師還普遍缺乏經(jīng)驗。如何設計出滿足特定目標客戶的需求，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：獨立于主處理器，所有的信號處理和算法實現(xiàn)都運行在GPS芯片組上；部分GPS軟件運行在系統(tǒng)主處理器上； GPS基帶處理和所有的算法由運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、對系統(tǒng)資源的要求、成本以及設計難度上都存在差異，設計工程師需要根據(jù)他們特定的產(chǎn)品來選擇。“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非常重要。”瑟孚(SiRF)公司創(chuàng)始人兼營銷副總裁Kanwar Chadha指出，“對于汽車應用，導航性能是關鍵的考慮因素，對于便攜式系統(tǒng)，支持增值業(yè)務和不錯的功能組合是需要關注的主要內(nèi)容。”

MCU的選擇是整個解決方案的核心之一。“對MCU的要求取決于采用什么樣的導航軟件以及操作系統(tǒng)，復雜的導航軟件要求MCU的運行頻率超過200MHz，普通手機當前所采用的硬件平臺來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)設計公司或方案提供商與導航軟件公司合作，定制一個復雜度適當、滿足特定需求的導航軟件版本。

為了進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在進行部分的GPS處理時，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中還增加了開發(fā)風險，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)理周青華認為：“與軟件解決方案相比，硬件解決方案運行速度快，不增加主處理器的負擔，但是軟件解決方案具有很明顯的成本優(yōu)勢。” 穩(wěn)定性是業(yè)界對軟件解決方案的最大擔心。“軟件算法不好的話，系統(tǒng)會花很多的時間才能把有用的數(shù)據(jù)計算出來，會增加功耗而且系統(tǒng)出錯的概率增加，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。

市場上可選擇的方案越來越多，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明書來選擇，一定要在同樣的條件和時間，通過實際的路測來進行逐項比較。” 林宏正表示。“很多時候單獨的模塊測試沒有任何問題，而一旦進行整體性能測試時，因為干擾等因素，可能表現(xiàn)出性能不穩(wěn)定、抗干擾性能差等問題。”西安華迅微電子市場經(jīng)理胡波也指出。

設計挑戰(zhàn)分析

“開發(fā)GPS系統(tǒng)以及將GPS集成到系統(tǒng)中非常具有挑戰(zhàn)性，設計工程師必須意識到可能面對的問題。”Chadha指出。由于GPS信號非常微弱，任何干擾都可能嚴重影響到它的性能。這種干擾可能來自其它的無線電設備、顯示屏或其它處理器，因此需要設計團隊中具有非常熟悉射頻設計的工程師。另外，GPS信號還非常敏感，更換任何一個器件都可能產(chǎn)生性能問題，因此在開發(fā)和制造過程中注意GPS系統(tǒng)的RF敏感性非常重要。當前一些便攜式GPS設備面臨首次定位時間過長的問題，“這主要與產(chǎn)品的結構設計不合理、天線選用不當有關。另外，電源、地線以及白噪聲過大和射頻干擾都會導致難以快速定位。”劉勇指出。盡管采用模塊解決方案可以避免GPS電路的設計挑戰(zhàn)，但電源對系統(tǒng)設計帶來的影響一樣不可忽略。

Atmel公司高級行銷經(jīng)理Joerg M. Alber表示：“很多設計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的設計風險。”但他同時也指出，當前的單芯片解決方案和參考設計也讓部分設計師選擇直接利用芯片組解決方案，以降低額外的模塊成本。劉勇認為，模塊化方案可以滿足手機等便攜式產(chǎn)品越來越短的設計周期要求，因為模塊已經(jīng)將射頻以及周邊零組件集成進去，而這些電路的設計是最具挑戰(zhàn)性的部分之一。他建議設計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算放在高性能GPS天線上。

隨著市場競爭的加劇，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廠商都自己開發(fā)引擎。”林宏正指出。然而，這對于大多數(shù)企業(yè)來說，必須綜合考慮其設計能力、產(chǎn)品整合能力、成本控制和批量。對于系統(tǒng)軟件設計也具有類似問題，“對于軟件設計來說，通常的問題是如何將軟件與設計平臺進行整合。”Chadha指出。

技術發(fā)展趨勢

隨著GPS越來越多地應用在手機、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)成為設計考慮的重要因素之一。“目前我們已經(jīng)采用了90納米的半導體工藝，未來我們將采用65納米技術生產(chǎn)我們的芯片，將進一步提高效率，并降低芯片的尺寸。”林宏正表示。“更高的半導體集成和低功耗將使GPS在更廣泛的消費設備中得到應用。” Chadha認為。“隨著技術創(chuàng)新的不斷發(fā)展，新的硅技術和硬件架構將進一步降低成本。” Seiler指出。“我們也正在開發(fā)一些新的技術，實現(xiàn)便攜式導航系統(tǒng)具有與汽車系統(tǒng)相似的性能。”Chadha表示。半導體技術的發(fā)展同時還將帶來解決方案的改變，隨著處理器處理能力的不斷提升，未來軟件解決方案將可能獲得更多應用。

包括中國北斗系統(tǒng)、歐洲的伽利略系統(tǒng)將在未來幾年進入實用，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)將改善定位技術的可靠性。”Chadha表示。

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

當前，部分GPS已經(jīng)將無線通信與定位技術結合起來，例如通過下載星歷數(shù)據(jù)實現(xiàn)快速定位。顯然，定位技術與通信的結合還有更大的想象空間，運營商和終端開發(fā)商以及大量的第三方開發(fā)商可以基于現(xiàn)有的基礎架構，實現(xiàn)更多富有創(chuàng)意并具有廣闊盈利能力的業(yè)務、功能和應用，例如基于定位的游戲、信息服務、廣告等。而無疑，風生水起的第三代移動通信網(wǎng)絡的部署將為GPS移動終端帶來這樣的發(fā)展契機。