智能手机与gps技术相结合的设计与应用

1 一般gps模组架构 2一般市面上的gps模组依照其架构的不同，可以大致区分为3种，分别从技术及厂商产品等方面，介绍如下： 3gps独立晶片组 顾名思义，这种方式所设计的gps在独立的晶片组上，内建完整的射频讯号接收、取样、基频运算、处理等功能与电路架构，当整个架构完成了讯号接收判读的过程之后，再将定位资料藉由特定匯流排传送至手机的处理器中进行整合处理。使用此种架构设计的gps模组的功能有许多优点，也较不易因讯号的处理影响到手机的性能表现，然而在手机要求尺寸缩小、整合功能增加以及成本下降的趋势下，此种设计方式属非主流的方式，目前已经鲜少使用。另外，由于容纳的空间需求较大，所以在应用上倾向于较不受体积限制的行动产品采用，主要也就是应用在独立导航装置、pda**或是smart phone产品上，此类产品较有名的为global locate的gl-2000与gl-ln22晶片组。图1：整合gps导航功能的mio a701图2：global locate 的gl-2000晶片架构图4gps部分晶片功能整合至手机 这种架构必须藉助手机上的处理器来进行主要运算，在设计上，基本概念就是将数位讯号处理器（dsp）或cpu加以整合，并把gps演算软体嵌入运算能力较强的手机晶片基频电路当中，如此将可减少必要元件的采用，进而降低重复成本，并利用共用的处理器来处理讯号，藉以提高讯号的整合度，并减少因讯号传递所产生的损失。而部分属于技术层次或整合难度较高的晶片仍然保持独立，例如射频晶片、滤波器、专属记忆体、被动元件等。目前包括qualcomm与snaptrack共同开发的gpsone、ti的gps5300及sige半导体公司的se4120l等都属于此方式。 图3：ti的gps5300晶片架构图 gpsone晶片具备了四种运作模式，这四种模式包括了基本独立gps功能（standalone gps）、基地台基本定位功能（mobile station based）、基地台协助功能（mobile station ass**ted）以及基地台混合功能（mobile station ass**ted/hybrid），gpsone除了具备一般a-gps功能以外，也可藉由基地台定位功能来达到更精确定位，以及室内/市区等无法接收gps讯号时的过渡方案。 图4：qualcomm的gpsone晶片架构图 而sige半导体公司的se4120l，则是与nordn** technologies ab 公司合作，采用该公司的e5000软体运算定位方式，由于少掉了基频晶片，因此可有效的在兼具成本优势以及出色性能表现之下，达到更小的封装体积以及更少的功耗，采用软体运算的方式也让这个方案需要较为强大的手机处理器核心，至于在灵敏度上，se4120l达到了目前最高的170db水准，算是相当惊人的地步。se4120l除了支援目前现行的gps卫星系统以外，也支援了欧洲伽利略卫星，不过目前地球轨道上只有一个伽利略卫星在运行，目前仅供测试之用，预计要到2008年以后卫星数量才会逐渐增加，2010年才能达到30颗的规模，因此欧洲系统的支援其实只是点缀而已。 5以soc方式内建于手机 而最后介绍的一种方式，则是将gps系统晶片组整合内建至手机晶片上，将相关功能的晶片整合在单一核心上，例如一个soc晶片可能同时包含了gps与通讯基频处理器、记忆体、i/o介面模组等。除了soc方式以外，较为单纯的sip封装晶片也是方式之一，以sip方式封装的gps晶片较有名的有global locate的stingray晶片，此一架构整合了该公司的indoorgps基频（gl-20000）技术和rf前端**（gl-ln22）功能于单一晶片上，行动装置製造商只须为此晶片加上天线以及saw滤波器，便能成为完整的a-gps解决方案。 至于在soc架构方面，目前市面上有infineon与global locate共同开发的hammerhead晶片方案，以及sirf公司的sirfstar系列，hammerhead晶片是以0.13微米rfcmos製程技术製造而成，在功耗控制上相当的灵巧，由于灵敏度相当高，在室内也可接收到讯号。而motorola的instantgps以及sirf的sirfstar系列同样属于此类，不过由于motorola与技术较先进的sirf合作，因此之便捨弃了自行研发的instantgps晶片，也让专业gps公司sirf从此正式迈入了行动通讯**的市场。 图5：hammerhead的pmb2520晶片架构图 而在2006年10月由atmel及magellan公司合作推出的atr0600系列晶片，内建了arm926ej-s微处理器核心、gps基频处理器，以及具备整合2d图形加速的lcd**、一个ac97音效**，以及一个图像感应器连接端子，而且具备了非常多的i/o周边支援。在magellan公司技术之下，atr0600系列晶片可以达到相当惊人的定位速度，从冷开机到完成定位只需不到5秒鐘，这系列解决方案著重的目标在于专业个人导航市场。 而u-blox公司与atmel公司合作，采用atr0635此技术核心的neo4-4s gps模组，整合了一个u**连接端子，在封装大小上达到了12.2×16mm的大小，捨弃了传统gps晶片常用的快闪记忆体，因此也达到了更小的封装、更强的省电能力，这款产品便是针对手机的行动定位市场而来。 图6：u-blox公司的neo4-4s gps模组 6行动gps的主流**技术－a-gps 图7：a-gps的概念图 a-gps（ass**ted gps）是以gps为主的定位技术，在距离地表两万公里的gps卫星讯号是以500w的强度发出，不过当这些讯号传到地面时，会因为空气、云层等不同因素而有所折损，通常到达地面时，讯号的强度已经减弱为10^-13w，普通电视所发出的电磁波都可以到达10^-4次方w，可见其讯号的微弱。为了解决这个问题，除了增加gps内部相关器（correlator）的数量，藉以增加讯号的敏感度以外，另一种方法便是使用辅助资料来减低搜寻卫星与初始定位的负担。增加相关器也会增加gps模组的复杂度以及功耗，在gps手机上显得相当不经济，因此在gps手机中，大多是采用另一种架构，也就是所谓的a-gps。 由于传统gps不论在架构上或技术上，除了接收来自卫星的讯号以外，其餘的资料与计算都要靠本身或者是主机的处理器来完成，这些计算或多或少都会消耗掉相当程度的电力，如果在手机中或者pda采用的gps模组中，采用目前手机主流的通讯网路（2.5g、3g、3.5g、wi-fi等等）来进行辅助定位资讯（一般称为星历）的下载，当接收辅助定位资讯之后，由于无须再从卫星讯号中对该资料进行核对，大幅节省初始定位的时间，因而可大幅减少gps接收端的工作量。根据讯号强度的不同，这样的做法可以将首次定位时间（ttff）缩减到几秒鐘，换句话说，gps系统便能够节省这段时间的运算量与功耗，进而延长行动装置本身的待机和通话时间，而这正是行动通讯装置最重要的特性之一。 gps系统在使用辅助资讯时，基本上有两种不同的工作模式，即行动装置主模式和行动装置辅助模式。在行动装置主模式之下，手机向网路要求辅助资讯，并在长达几个小时至数天的时间内使用该资料，第一次和随后的定位所需要的运算均在手机内进行。该模式可以实现最快的定位，不过在此模式之下，行动装置必须具有一定程度的运算能力，才可以迅速计算出正确的定位资讯。 至于在行动装置辅助模式下，手机向网路请求用于每次定位的独立辅助资讯，并将gps资料基地台进行进一步的处理。在这种模式下，网路需要完成的工作量大于在行动装置主模式 下的工作量，因此，每次定位所需要的时间也长一些，但对行动装置的运算能力没有什么要求。由于行动装置辅助模式需要基地台的支援，因此主模式仍然是a-gps最主要的动作方式。但随著时间的过去，相关技术相对成熟之后，与基地台的讯号互动，加上gps卫星系统的定位，我们将可以达到更高的定位准确度，以及定位可用性。 在手机行动网路上进行所有a-gps相关资料交换的协议，可以基于一种或两种不同的概念，即控制面（control plane）或使用者面（user plane）这两种。较早的控制面结构使用无线与核心网路的专用讯号传输通路，这种方法需要对现有网路基础设备进行改造，这当然不利于网路业者。在使用者面（又叫安全使用者面，supl）架构中，行动通讯设备与使用ip连结的定位伺服器进行通讯，资讯的连接可以透过寻常的gprs网路，并利用现有的介面和协议来完成。 其他行动定位技术 cell-id 图说：cell-id的概念图 此项技术是利用行动通讯基地台对通话中的行动电话来做位置的确认，这种技术的歷史相当悠久，我们也可从许多好莱坞电影中见到这种技术的滥觴。不过基本上这种技术的定位能力相当差，它必须依赖行动电话通话时所处的cell内来确认使用者的位置。除了cell的讯号范围大小以外，cell的数量也是影响其准确度的因素之一。 不过cell-id可以藉由结合时间先行值（timing advance，ta）或封包来回时间（round trip time，rtt）这两种距离量测方法，来大幅提升其准确度。不管手机处于连结或閒置模式，利用cell-id便能大致了解其位置。在没有其他量测的辅助下，利用cell-id所获得的位置资讯之误差范围会和cell的涵盖区域相当，亦即不够准确，但其好处在于不需额外硬体的协助。 e-otd图：e-otd的概念图 这种定位技术只能被使用于gsm、gprs通讯系统当中，此定位方式必须对基地台的系统进行改良，并且加装lmu（原子时鐘设备）设备，手机在接收不同距离的基地台定位讯号时，在讯号之间会有传输时间差，利用基地台的lmu设备判断出手机距离不同基地台的讯号点来找到使用者的相对位置。不过由于此技术必须依赖lmu设备，平均每三座基地台便需要两个lmu，因此设备成本相当惊人，而行动装置本身也必须具备有相对应的软体，才能达到定位的功能。 6该信息未经授权抓取自百度经验7otdoa这个技术基本上是umts网路版本的e-otd系统，原理也都完全一致，不过此系统中，手机所连结的三座基地台，每一座都必需要有各自的lum设备。 hybrid混合定位技术 简单来说，将gps**与以上三种手机基地台讯号定位中的任一技术结合，便是所谓的混合定位技术，结合了两者的优点，在定位的准确度与广度可以得到大幅的提升，也不用怕万一到高楼中或室内会收不到卫星讯号，只是若采用这样的设计，gps手机就必需要具备更高的运算能力，以及随之而来的功耗问题。gpsone晶片很好的解决了这个问题，并且也成为目前行动导航方案中，少数整合gps与基地台定位技术的系统之一。 针对gps附加功耗而衍生的手机电源设计方式 在整合了pda、照相模组、gps甚至行动电视功能的手机，每个部件的功耗都格外需要斤斤计较，若是因为其他附加功能所产生的功耗影响了手机本身通讯功能的持续可用性的话，那么这些附加功能也将变得如鸡肋一般食之无味，弃之可惜。使用者在这种情形之下，不如转而采购独立功能产品，因为独立功能产品通常因为功能单纯，在功耗的最佳化上也要来得简单许多，因此一般持续可用性也要比整合性产品来得高，单一功能表现也要来得强。但是整合是未来的趋势，每间厂商都避免不了，功能过于单纯的产品很难具备有足够的竞争优势，不过在整合之后，如何解决功耗问题才是关键所在。 由于行动产品体积日益微缩，因此需要同时具备省电、高效率、小体积、散热佳等特色的电源供应方式，而在目前电源管理ic功能日益多元化的情况下，一般功率耗损的情况也逐渐随之增加。目前低电压、低耗电量和更长的电池寿命已经是行动装置的必备要件，因此供电设计也朝向高度整合、高转换效率、省电、智慧型等发展方向。而手机等行动装置附加gps功能之后，随之而来的功耗问题也必须跟著解决，因此在电源供应与管理设计方式上，就要采取更为有效的方式来进行。 传统上大多采用线性低压降（ldo）稳压器来将电池电压转换到预先确定的电压值，并提供负载所需的功率。但近年来由于普遍采用深次微米製程**术，数位元件的工作电压已变得相当低，再加上对更轻更小电池的需求，这类平均只有36％效率的稳压器已经逐渐被扬弃，製造商转而发展开关型稳压器，这类稳压元件的功率转换效率可高达90％以上。 电源管理ic供应商一直将关注重点放在管理功率的传递上，即如何为不同的负载元件分配不同的功率向来是发展的重点。不过随著技术的演进，从单纯分配不同功耗，目前也已经转向变成主动的管理元件的动态与静态功耗。美国**半导体公司的自动电压调整（**s）技术和ti的动态电压与频率调整（dvfs）技术正式在此思维之下所发展出来的解决方案。而于在手机电源管理单元（pmu）方面，pmu（power maganement unit)电源管理单元是将多个的dc/dc转换器（通常是2∼3个），数个ldo（通常是6∼14个），充电以及保护电路、电流／电压检测整合在一起的ic。图9：maxim公司的pmu晶片脚位图 此种电源管理单元在应用上的优点包括了可以简化设计，减小元件所佔pcb板面积等，但是pmu也有几项限制，首先便是支援电压上限较低，因此行动装置中的电池发展技术上也相对受到了限制，以往的0.18um/0.15um cmos pmu技术最高只能支援3.3v电压。不过这个限制已经逐渐被突破，maxim公司的pmu晶片已经可以达到最大7.5v的极限范围。其次，pmu在使用上不够灵活，这是由于某些pmu只能针对某一类型的手机，比如maxim公司最新的max8660/8661也只能与采用第三代xscale处理器的手机或pda配套使用。在缺乏泛用电源管理单元的情况之下，製造商也只能选择相对具有竞争力的解决方案，而无法自行配套使用。 8结论智慧型手机结合gps行动定位服务已经是未来的趋势，虽然以目前的技术来看，在实际应用方面，个别功能可能还不若分离式架构产品那般突出，但是随著半导体技术不断的演进，加上软体与硬体设计功能的加强，以及最关键的功耗部分最终将从新的电池技术与电源管理方式来获得良好的解决，将来gps手机也可能延伸出更多的应用，产业也可从这些应用中取得更大的商机。end 20210311