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GPS整合多重无线通讯单晶片设计精确定位!
 

【作者: 鍾榮峰】2009年03月04日 星期三

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社群网路(Social Networking)及LBS(Location-Based Service)正逐渐成为可携式装置不可或缺的主流应用,社群之间多向互动分享的需求,则进一步带动了多重无线通讯混合定位功能的GPS晶片设计趋势。今年无线通讯晶片大厂在全球行动通讯大展(World Mobile Congress)期间,不约而同地推出结合bluetooth、Wi-Fi、FM及其他混合定位功能的GPS单晶片解决方案,便是看好社群互动分享应用及LBS定位服务在各类可携式装置发展前景的积极作为。


《图一 GPS单芯片制程示意简图》
《图一 GPS单芯片制程示意简图》数据源:u-blox

GPS单晶片应用渗透越来越广泛

也因此,GPS功能已不仅限于个人导航装置PND(Portable Navigation Device)和GPS Phone,而是广泛渗透于各类智慧型手机包括Android手机平台、可携式媒体播放器(PMP)、行动上网装置( MID)、NetBook甚至是数位相机等等。


根据市调机构iSuppli预测,GPS在手机市场的渗透率,将从2008年的19%提高至2012年的35%。去年已有2.38亿支手机具备GPS功能,到2012年,此一数字将达到5.43亿支。这更别提具备蓝牙功能的手机出货量将超过12亿,另外具备FM功能的手机也将超过9.01亿支。至于全球PND销售量则将在2013年突破1亿台。


这样的发展趋势自然促使GPS单晶片设计在兼顾降低功耗和缩小晶片尺寸(Form Factor)的前提下,具备更多的无线通讯整合功能。 LBS架构则可直接连结至像是Wi-Fi无线存取点(access points)及手机基地台,让可携式装置制造商和LBS应用开发商,为使用者提供立即可用、弹性化且客制化的定位技术方案。


市调机构ABI Research便指出,LBS的定位服务在GPS及定位市场的价值越来越备受重视,GPS单晶片要能同时提供Wi-Fi、混合定位功能、扩大LBS服务定位精确度,才能扩充下一代行动定位服务的优势。藉由此类GPS单晶片上市后,ABI Research预测到2013年,全球LBS服务年营收将达到133亿美元。



《图二 影响LBS应用发展的各项因素》 - BigPic:719x539
《图二 影响LBS应用发展的各项因素》 - BigPic:719x539数据源:Canalys

整合多重无线通讯功能的GPS单晶片方案

因此,像是Broadcom便推出高度整合Bluetooth、FM和Wi-Fi室内定位技术的多功能GPS组合(Combo)晶片,强调可支援混合室内定位技术,CSR也推出支援蓝牙低功耗、Wi-Fi( 802.11a/b/g/n)、FM的GPS单晶片,两者近程阶段均瞄准支援LBS定位服务的中阶手机产品。 CSR亦强调可将此单晶片模组Form Factor缩小至60mm2。至于Infineon则与Seiko Epson合作开发下一代A-GPS技术及GPS单晶片产品,强调可提升至-160dBm~-165dBm的灵敏度(sensitivity),同时缩小Form Factor尺寸可嵌入面积仅26mm2的PCB之中。


《图三 结合bluetooth、Wi-Fi、FM及其他混合定位功能的GPS单芯片解决方案首先将在智能型手机领域大放异彩》
《图三 结合bluetooth、Wi-Fi、FM及其他混合定位功能的GPS单芯片解决方案首先将在智能型手机领域大放异彩》数据源:CSR

多重无线射频并存降低干扰功能

由于GPS单晶片整合多重无线通讯功能,GPS晶片整合在手机、Connected PND或是MID当中,更要避免GPS讯号受到其他无线通讯讯号干扰的问题,同时也需进一步降低CPU高频讯号、显示萤幕其他RF元件及PCB VCC的电磁干扰,让GPS接收讯号维持清晰。因此降低干扰的射频协同共存(coexistence)技术便非常重要,Broadcom的InConcert技术和CSR的CSR Synergy技术都强调此点。


强调室内定位和混合定位功能

GPS户外定位品质及环境收讯效果较佳,但若处在高密度城市及室内环境下,往往深受影响。所以,结合室内定位和混合定位功能的GPS单晶片方案,利用多重无线通讯连结技术当成混合定位系统的一部分,便成为近期GPS单晶片的主要特色。而混合型定位架构是将计算位置所需的资料放置于网路系统端,计算过程由可携式装置及网路系统端共同完成,使用者可藉由handset-based或network-based模式定位。


像是u-blox的GPS单晶片采用灵敏度-160dBm的SuperSense室内GPS追踪技术,可以在停车场和人口稠密都会区等讯号恶劣环境下提供可靠性能。 Broadcom的GPS产品,则以提供Wi-Fi室内定位功能为主,混合支援A-GPS、Cell ID以及定位运算与混合定位功能的SUPL位置平台,欲进一步强化LBS服务定位精确度。 CSR则采用藉由802.11或超宽频UWB(Ultra Wideband)数据机来加速蓝牙传输,或藉由近场无线通讯NFC(Near Field Communication)与蓝牙或Wi-Fi安全配对链路。



《图四 2月份陆续推出整合多重通讯功能的GPS单芯片方案》 - BigPic:999x711
《图四 2月份陆续推出整合多重通讯功能的GPS单芯片方案》 - BigPic:999x711

Broadcom则在去年10月便结合本身GPS和Wi-Fi技术,与Wi-Fi定位硬体供应商Skyhook Wireless合作,提供支援A-GPS及行动通讯的整合混合定位服务。 Skyhook Wireless是藉由侦测Wi-Fi无线存取点、并与一个己知的地点位置资料库比对,产生精确的定位资讯,主要目标为在都会区利用Wi-Fi讯号来提供定位服务,产品设定为GPS的替代技术,以搭配具备用户端软体专用的可携式装置为主要应用目标。 Broadcom下一步也将推出整合802.11n的GPS多功能组合晶片。


提升GPS定位精确及蓝牙低功耗特性

GPS晶片若要能在可携式装置接收顺畅,强化灵敏度、降低杂讯(noise)和功耗、缩短首次定位时间(TTFF)、避免环境多重反射干扰(multi-path)以及降低shaving等,对于提升GPS行动终端应用、特别是LBS的定位资讯服务来说,非常重要。 CSR在2月并购GPS晶片供应大厂SiRF之后,进一步提升自己在eGPS方面的专利影响力,并结合在蓝牙低功耗和回音杂讯消除技术的强项,主打GPS单晶片低功耗设计。Broadcom则是在2007年便先行并购Global Locate,所生产的GPS晶片运作时可与应用处理器分散功耗,功耗效能可提升50%以上。 Broadcom在蓝牙高效能与低功耗亦不遑多让,亦强调其功能具备可改善音讯品质及可携式装置应用的语音强化功能。


藉由卫星资料软体提升TTFF效能

此外,藉由卫星资料软体提升TTFF效能亦是GPS晶片大厂的支援重点。 Broadcom和u-blox均强调不到一秒的TTFF特性,u-blox的KickStart技术,可提供不到1秒的首次定位时间。 Broadcom的讯号撷取引擎,拥有超过100万个相关器,可进行大量的平行时间/频率空间搜索,能让GPS晶片在瞬间内找到卫星。此外Broadcom宣称拥有10亿多笔扩充式广播星历(extended ephemeris)的长期轨道(Long Term Orbits;LTO)技术,可提供全球170个国家超过2000万的客户即时下载。u-blox的AssistNow伺服器中则存有大笔卫星资料,使用者只需透过简单的IP连接,便可全年免费下载​​资料,能够满足无法接取Internet却需要即时定位的应用环境。


《图五 PND的LBS定位服务市场应用需要进一步掌握机会克服挑战》
《图五 PND的LBS定位服务市场应用需要进一步掌握机会克服挑战》数据源:Canalys

提升封包传输效率和FM进阶品质

在提升封包传输效率和FM进阶品质上,Broadcom强调自身的遗失封包补偿(packet loss concealment;PLC)技术和宽频语音技术,​​能弥补资料封包遗失的频宽速度及增加蓝牙传送距离。 CSR则以动态封包流量分析为基础,提升蓝牙、Wi-Fi、FM和GPS的并存能力。Broadcom的GPS单晶片并支援所有FM进阶功能,藉由FM发射器支援可程式输出功率及演算法,不仅增加灵敏度,同时藉由智慧型无线电数据系统(Radio Data Service)和无线广播系统(Radio Broadcast Data Service;RBDS),可在全球65~108MHz频段提供基地台资讯搜寻功能。


结语

整合Bluetooth、Wi-Fi和FM多合一无线通讯功能的GPS单晶片应用渗透范围越来越广,社群网路和LBS服务的推波助澜是其主要驱动力。在设计上此种GPS单晶片重视多重无线射频并存下的降低干扰功能、强调室内定位和混合定位特性、强化GPS定位精确及蓝牙低功耗功能、提升封包传输效率和FM进阶品质。可以预见的是,GPS定位和LBS即将成为可携式装置的基本配备,更多令人惊艳的互动分享应用将如雨后春笋般涌现!


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