便携式GPS设备设计挑战及其发展趋势分析

根据市场调研公司iSuppli的数据显示，三大主要供应商TomTom、Garmin和中国台湾地区的神达目前占全球便携式导航设备80%以上的市场份额。作为GPS设备行业的后来者，尽管中国企业具有很强的生产成本优势，然而在系统方案选择、电路设计和系统设计方面，中国国内开发工程师还普遍缺乏经验。如何设计出满足特定目标客户的需求，具有稳定性、低功耗、高精度和易用性，工程师面临很大的挑战。 

选择适合您的解决方案 

GPS方案大致可以分为三类：独立于主处理器，所有的信号处理和算法实现都运行在GPS芯片组上；部分GPS软件运行在系统主处理器上； GPS基带处理和所有的算法由运行在主处理器上的软件完成，即所谓软件解决方案。这些方案在性能、对系统资源的要求、成本以及设计难度上都存在差异，设计工程师需要根据他们特定的产品来选择。“选择解决方案之前，理解终端用户的需求以及GPS解决方案将集成到的平台非常重要。”瑟孚(SiRF)公司创始人兼营销副总裁Kanwar Chadha指出，“对于汽车应用，导航性能是关键的考虑因素，对于便携式系统，支持增值业务和不错的功能组合是需要关注的主要内容。” 

MCU的选择是整个解决方案的核心之一。“对MCU的要求取决于采用什么样的导航软件以及操作系统，复杂的导航软件要求MCU的运行频率超过200MHz，普通手机当前所采用的硬件平台来难以支持这么高的处理能力。”深圳星亮电子GPS产品经理刘勇指出。通常系统设计公司或方案提供商与导航软件公司合作，定制一个复杂度适当、满足特定需求的导航软件版本。 

为了进一步减小尺寸和成本，很多的GPS提供商推出软件解决方案，在这种解决方案中，基带芯片集成到DSP芯片中。“但是这种解决方案目前还并不成熟，MCU在进行部分的GPS处理时，性能将受到影响，特别是在搜星阶段。” u-blox公司CEO Thomas Seiler指出，“将GPS基带软件整合到多媒体DSP中还增加了开发风险，推迟产品面市并增加整体的成本。” 上海丰宝电子科技有限公司汽车电子部经理周青华认为：“与软件解决方案相比，硬件解决方案运行速度快，不增加主处理器的负担，但是软件解决方案具有很明显的成本优势。” 稳定性是业界对软件解决方案的最大担心。“软件算法不好的话，系统会花很多的时间才能把有用的数据计算出来，会增加功耗而且系统出错的概率增加，因此如何使系统更稳定是最大的挑战。”瑟孚亚太区总裁林宏正指出。 

市场上可选择的方案越来越多，如何选择一款满足自己需求的产品呢？“你不能仅凭其方案说明书来选择，一定要在同样的条件和时间，通过实际的路测来进行逐项比较。” 林宏正表示。“很多时候单独的模块测试没有任何问题，而一旦进行整体性能测试时，因为干扰等因素，可能表现出性能不稳定、抗干扰性能差等问题。”西安华迅微电子市场经理胡波也指出。 

设计挑战分析 

“开发GPS系统以及将GPS集成到系统中非常具有挑战性，设计工程师必须意识到可能面对的问题。”Chadha指出。由于GPS信号非常微弱，任何干扰都可能严重影响到它的性能。这种干扰可能来自其它的无线电设备、显示屏或其它处理器，因此需要设计团队中具有非常熟悉射频设计的工程师。另外，GPS信号还非常敏感，更换任何一个器件都可能产生性能问题，因此在开发和制造过程中注意GPS系统的RF敏感性非常重要。当前一些便携式GPS设备面临首次定位时间过长的问题，“这主要与产品的结构设计不合理、天线选用不当有关。另外，电源、地线以及白噪声过大和射频干扰都会导致难以快速定位。”刘勇指出。尽管采用模块解决方案可以避免GPS电路的设计挑战，但电源对系统设计带来的影响一样不可忽略。 

Atmel公司高级行销经理Joerg M. Alber表示：“很多设计师还是倾向于选择采用模块解决方案，以回避自己利用芯片组可能带来的设计风险。”但他同时也指出，当前的单芯片解决方案和参考设计也让部分设计师选择直接利用芯片组解决方案，以降低额外的模块成本。刘勇认为，模块化方案可以满足手机等便携式产品越来越短的设计周期要求，因为模块已经将射频以及周边零组件集成进去，而这些电路的设计是最具挑战性的部分之一。他建议设计师需要考虑为天线占用更大的PCB面积，甚至将更多的成本预算放在高性能GPS天线上。 

随着市场竞争的加剧，如何降低系统成本称为厂商主要考量之一。地图引擎通常占到整个方案成本的40％左右，因此这部分的成本压力很大。“目前，全球前5大的PND厂商都自己开发引擎。”林宏正指出。然而，这对于大多数企业来说，必须综合考虑其设计能力、产品整合能力、成本控制和批量。对于系统软件设计也具有类似问题，“对于软件设计来说，通常的问题是如何将软件与设计平台进行整合。”Chadha指出。 

技术发展趋势 

随着GPS越来越多地应用在手机、PMP，甚至是像手表这类便携式产品中，解决方案的低功耗和小尺寸已经成为设计考虑的重要因素之一。“目前我们已经采用了90纳米的半导体工艺，未来我们将采用65纳米技术生产我们的芯片，将进一步提高效率，并降低芯片的尺寸。”林宏正表示。“更高的半导体集成和低功耗将使GPS在更广泛的消费设备中得到应用。” Chadha认为。“随着技术创新的不断发展，新的硅技术和硬件架构将进一步降低成本。” Seiler指出。“我们也正在开发一些新的技术，实现便携式导航系统具有与汽车系统相似的性能。”Chadha表示。半导体技术的发展同时还将带来解决方案的改变，随着处理器处理能力的不断提升，未来软件解决方案将可能获得更多应用。 

包括中国北斗系统、欧洲的伽利略系统将在未来几年进入实用，这些系统的出现将改善定位的可靠性和精度，全球主要的GPS方案提供商均已经或即将推出能同时支持多种系统的系统解决方案。例如，u-blox公司即将于第四季度推出的第五代解决方案u-blox 5将能支持欧洲的伽利略系统。“多种卫星系统的出现将改善定位技术的可靠性。”Chadha表示。 

此外，与多种无线通信技术的结合也必将促进定位技术的发展。瑟孚联合Skyhook Wireless基于该公司的多模定位平台，推出了无线混合定位技术，可以提供GPS－WiFi混合定位。该技术可以加快某些基于定位的业务的部署，提高定位的覆盖率。“将GPS与其它传感器、信号结合，将使位置信息在任何地点及时准确地获得。”Chadha指出。 

当前，部分GPS已经将无线通信与定位技术结合起来，例如通过下载星历数据实现快速定位。显然，定位技术与通信的结合还有更大的想象空间，运营商和终端开发商以及大量的第三方开发商可以基于现有的基础架构，实现更多富有创意并具有广阔盈利能力的业务、功能和应用，例如基于定位的游戏、信息服务、广告等。而无疑，风生水起的第三代移动通信网络的部署将为GPS移动终端带来这样的发展契机。