與手機結合的GPS設計

與手機結合的GPS設計（林宗輝／DigiTimes.com） 2007/01/29   　　前言：當手機紛紛加入數位相機的功能之後，廠商便急於另行開闢新的功能產品線，以區隔出不同的產品定位，以拉抬產品的競爭力。除了行動電視以外，影音電話以及無線上網都是在此期間所推出的種種所謂殺手級功能。與此同時，行動定位服務也開始儼然成型，對於手機來說，其最大的優勢便是擁有極大的行動便利性。而利用此項特點，如果能夠利用隨身攜帶的手幾來隨時探知我們身處的地點，甚至進行導航的動作，以手機產業最為拿手的整合性設計來說，將GPS模組整合進手機內部，將為手機帶來極為便利的應用優勢。

圖說：整合GPS導航功能的Mio A701。（資料來源：Mio）
不過功能整合向來與功耗成正比，尤其是GPS模組本身需要額外的功耗，這對於待機以及連續使用時間極為斤斤計較的手機而言，是個相當大的難處，而目前內建GPS功能的手機又幾乎全都是智慧型手機，在一般實務上的待機時間本來就無法與傳統封閉功能的手機相提並論，整合了GPS的功能之後，更是幾乎無法達到實用的連續使用時間。在解決這方面的問題上，所採取的方式大多是利用更大容量的電池、更有效率的供電管理方式，以及從晶片製程上改善功耗這三方面來著手。
一般GPS模組架構
一般市面上的GPS模組依照其架構的不同，可以大致區分為3種，分別從技術及廠商產品等方面，介紹如下：
■GPS獨立晶片組
顧名思義，這種方式所設計的GPS在獨立的晶片組上，內建完整的射頻訊號接收、取樣、基頻運算、處理等功能與電路架構，當整個架構完成了訊號接收判讀的過程之後，再將定位資料藉由特定匯流排傳送至手機的處理器中進行整合處理。使用此種架構設計的GPS模組的功能有許多優點，也較不易因訊號的處理影響到手機的性能表現，然而在手機要求尺寸縮小、整合功能增加以及成本下降的趨勢下，此種設計方式屬非主流的方式，目前已經鮮少使用。另外，由於容納的空間需求較大，所以在應用上傾向於較不受體積限制的行動產品採用，主要也就是應用在獨立導航裝置、PDA平台或是Smart Phone產品上，此類產品較有名的為Global Locate的GL-2000與GL-LN22晶片組。

圖說：Global Locate 的GL-2000晶片架構圖。（資料來源：Global Locate）
■GPS部分晶片功能整合至手機
這種架構必須藉助手機上的處理器來進行主要運算，在設計上，基本概念就是將數位訊號處理器（DSP）或CPU加以整合，並把GPS演算軟體嵌入運算能力較強的手機晶片基頻電路當中，如此將可減少必要元件的採用，進而降低重複成本，並利用共用的處理器來處理訊號，藉以提高訊號的整合度，並減少因訊號傳遞所產生的損失。而部分屬於技術層次或整合難度較高的晶片仍然保持獨立，例如射頻晶片、濾波器、專屬記憶體、被動元件等。目前包括Qualcomm與SnapTrack共同開發的gpsOne、TI的GPS5300及SiGe半導體公司的SE4120L等都屬於此方式。

圖說：TI的GPS5300晶片架構圖。（資料來源：TI）
gpsOne晶片具備了四種運作模式，這四種模式包括了基本獨立GPS功能（Standalone GPS）、基地台基本定位功能（Mobile Station based）、基地台協助功能（Mobile Station Assisted）以及基地台混合功能（Mobile Station Assisted/Hybrid），gpsOne除了具備一般A-GPS功能以外，也可藉由基地台定位功能來達到更精確定位，以及室內/市區等無法接收GPS訊號時的過渡方案。

圖說：Qualcomm的gpsOne晶片架構圖。（資料來源：Qualcomm）
而SiGe半導體公司的SE4120L，則是與Nordnav Technologies AB 公司合作，採用該公司的E5000軟體運算定位方式，由於少掉了基頻晶片，因此可有效的在兼具成本優勢以及出色性能表現之下，達到更小的封裝體積以及更少的功耗，採用軟體運算的方式也讓這個方案需要較為強大的手機處理器核心，至於在靈敏度上，SE4120L達到了目前最高的170dB水準，算是相當驚人的地步。SE4120L除了支援目前現行的GPS衛星系統以外，也支援了歐洲伽利略衛星，不過目前地球軌道上只有一個伽利略衛星在運行，目前僅供測試之用，預計要到2008年以後衛星數量才會逐漸增加，2010年才能達到30顆的規模，因此歐洲系統的支援其實只是點綴而已。
■以SoC方式內建於手機
而最後介紹的一種方式，則是將GPS系統晶片組整合內建至手機晶片上，將相關功能的晶片整合在單一核心上，例如一個SoC晶片可能同時包含了GPS與通訊基頻處理器、記憶體、I/O介面模組等。除了SoC方式以外，較為單純的SiP封裝晶片也是方式之一，以SiP方式封裝的GPS晶片較有名的有Global Locate的Stingray晶片，此一架構整合了該公司的IndoorGPS基頻（GL-20000）技術和RF前端接收機（GL-LN22）功能於單一晶片上，行動裝置製造商只須為此晶片加上天線以及SAW濾波器，便能成為完整的A-GPS解決方案。
至於在SoC架構方面，目前市面上有Infineon與Global Locate共同開發的Hammerhead晶片方案，以及SiRF公司的SiRFstar系列，Hammerhead晶片是以0.13微米RFCMOS製程技術製造而成，在功耗控制上相當的靈巧，由於靈敏度相當高，在室內也可接收到訊號。而Motorola的InstantGPS以及SiRF的SiRFstar系列同樣屬於此類，不過由於Motorola與技術較先進的SiRF合作，因此之便捨棄了自行研發的InstantGPS晶片，也讓專業GPS公司SiRF從此正式邁入了行動通訊衛星定位的市場。

圖說：Hammerhead的PMB2520晶片架構圖。（資料來源：Infineon）
而在2006年10月由Atmel及Magellan公司合作推出的ATR0600系列晶片，內建了ARM926EJ-S微處理器核心、GPS基頻處理器，以及具備整合2D圖形加速的LCD控制器、一個AC97音效控制器，以及一個圖像感應器連接端子，而且具備了非常多的I/O周邊支援。在Magellan公司技術之下，ATR0600系列晶片可以達到相當驚人的定位速度，從冷開機到完成定位只需不到5秒鐘，這系列解決方案著重的目標在於專業個人導航市場。
而U-Blox公司與Atmel公司合作，採用ATR0635此技術核心的NEO4-4S GPS模組，整合了一個USB連接端子，在封裝大小上達到了12.2×16mm的大小，捨棄了傳統GPS晶片常用的快閃記憶體，因此也達到了更小的封裝、更強的省電能力，這款產品便是針對手機的行動定位市場而來。

圖說：U-Blox公司的NEO4-4S GPS模組。（資料來源：U-Blox）
行動GPS的主流衛星定位技術－A-GPS

圖說：A-GPS的概念圖。（資料來源：Global Locate）
A-GPS（Assisted GPS）是以GPS為主的定位技術，在距離地表兩萬公里的GPS衛星訊號是以500W的強度發出，不過當這些訊號傳到地面時，會因為空氣、雲層等不同因素而有所折損，通常到達地面時，訊號的強度已經減弱為10^-13W，普通電視所發出的電磁波都可以到達10^-4次方W，可見其訊號的微弱。為了解決這個問題，除了增加GPS內部相關器（correlator）的數量，藉以增加訊號的敏感度以外，另一種方法便是使用輔助資料來減低搜尋衛星與初始定位的負擔。增加相關器也會增加GPS模組的複雜度以及功耗，在GPS手機上顯得相當不經濟，因此在GPS手機中，大多是採用另一種架構，也就是所謂的A-GPS。
由於傳統GPS不論在架構上或技術上，除了接收來自衛星的訊號以外，其餘的資料與計算都要靠本身或者是主機的處理器來完成，這些計算或多或少都會消耗掉相當程度的電力，如果在手機中或者PDA採用的GPS模組中，採用目前手機主流的通訊網路（2.5G、3G、3.5G、Wi-Fi等等）來進行輔助定位資訊（一般稱為星曆）的下載，當接收輔助定位資訊之後，由於無須再從衛星訊號中對該資料進行核對，大幅節省初始定位的時間，因而可大幅減少GPS接收端的工作量。根據訊號強度的不同，這樣的做法可以將首次定位時間（TTFF）縮減到幾秒鐘，換句話說，GPS系統便能夠節省這段時間的運算量與功耗，進而延長行動裝置本身的待機和通話時間，而這正是行動通訊裝置最重要的特性之一。
GPS系統在使用輔助資訊時，基本上有兩種不同的工作模式，即行動裝置主模式和行動裝置輔助模式。在行動裝置主模式之下，手機向網路要求輔助資訊，並在長達幾個小時至數天的時間內使用該資料，第一次和隨後的定位所需要的運算均在手機內進行。該模式可以實現最快的定位，不過在此模式之下，行動裝置必須具有一定程度的運算能力，才可以迅速計算出正確的定位資訊。
至於在行動裝置輔助模式下，手機向網路請求用於每次定位的獨立輔助資訊，並將GPS資料基地台進行進一步的處理。在這種模式下，網路需要完成的工作量大於在行動裝置主模式 下的工作量，因此，每次定位所需要的時間也長一些，但對行動裝置的運算能力沒有什麼要求。由於行動裝置輔助模式需要基地台的支援，因此主模式仍然是A-GPS最主要的動作方式。但隨著時間的過去，相關技術相對成熟之後，與基地台的訊號互動，加上GPS衛星系統的定位，我們將可以達到更高的定位準確度，以及定位可用性。
在手機行動網路上進行所有A-GPS相關資料交換的協議，可以基於一種或兩種不同的概念，即控制面（Control Plane）或使用者面（User Plane）這兩種。較早的控制面結構使用無線與核心網路的專用訊號傳輸通路，這種方法需要對現有網路基礎設備進行改造，這當然不利於網路業者。在使用者面（又叫安全使用者面，SUPL）架構中，行動通訊設備與使用IP連結的定位伺服器進行通訊，資訊的連接可以透過尋常的GPRS網路，並利用現有的介面和協議來完成。
其他行動定位技術
■Cell-ID

圖說：Cell-ID的概念圖。（資料來源：SnapTrack’s White Paper）
此項技術是利用行動通訊基地台對通話中的行動電話來做位置的確認，這種技術的歷史相當悠久，我們也可從許多好萊塢電影中見到這種技術的濫觴。不過基本上這種技術的定位能力相當差，它必須依賴行動電話通話時所處的cell內來確認使用者的位置。除了cell的訊號範圍大小以外，cell的數量也是影響其準確度的因素之一。
不過Cell-ID可以藉由結合時間先行值（Timing Advance，TA）或封包來回時間（Round Trip Time，RTT）這兩種距離量測方法，來大幅提升其準確度。不管手機處於連結或閒置模式，利用Cell-ID便能大致了解其位置。在沒有其他量測的輔助下，利用Cell-ID所獲得的位置資訊之誤差範圍會和cell的涵蓋區域相當，亦即不夠準確，但其好處在於不需額外硬體的協助。
■E-OTD

圖說：E-OTD的概念圖。（資料來源：SnapTrack’s White Paper）
這種定位技術只能被使用於GSM、GPRS通訊系統當中，此定位方式必須對基地台的系統進行改良，並且加裝LMU（原子時鐘設備）設備，手機在接收不同距離的基地台定位訊號時，在訊號之間會有傳輸時間差，利用基地台的LMU設備判斷出手機距離不同基地台的訊號點來找到使用者的相對位置。不過由於此技術必須依賴LMU設備，平均每三座基地台便需要兩個LMU，因此設備成本相當驚人，而行動裝置本身也必須具備有相對應的軟體，才能達到定位的功能。
■OTDOA
這個技術基本上是UMTS網路版本的E-OTD系統，原理也都完全一致，不過此系統中，手機所連結的三座基地台，每一座都必需要有各自的LUM設備。
■Hybrid混合定位技術
簡單來說，將GPS衛星定位與以上三種手機基地台訊號定位中的任一技術結合，便是所謂的混合定位技術，結合了兩者的優點，在定位的準確度與廣度可以得到大幅的提升，也不用怕萬一到高樓中或室內會收不到衛星訊號，只是若採用這樣的設計，GPS手機就必需要具備更高的運算能力，以及隨之而來的功耗問題。gpsOne晶片很好的解決了這個問題，並且也成為目前行動導航方案中，少數整合GPS與基地台定位技術的系統之一。
針對GPS附加功耗而衍生的手機電源設計方式
在整合了PDA、照相模組、GPS甚至行動電視功能的手機，每個部件的功耗都格外需要斤斤計較，若是因為其他附加功能所產生的功耗影響了手機本身通訊功能的持續可用性的話，那麼這些附加功能也將變得如雞肋一般食之無味，棄之可惜。使用者在這種情形之下，不如轉而採購獨立功能產品，因為獨立功能產品通常因為功能單純，在功耗的最佳化上也要來得簡單許多，因此一般持續可用性也要比整合性產品來得高，單一功能表現也要來得強。但是整合是未來的趨勢，每間廠商都避免不了，功能過於單純的產品很難具備有足夠的競爭優勢，不過在整合之後，如何解決功耗問題才是關鍵所在。
由於行動產品體積日益微縮，因此需要同時具備省電、高效率、小體積、散熱佳等特色的電源供應方式，而在目前電源管理IC功能日益多元化的情況下，一般功率耗損的情況也逐漸隨之增加。目前低電壓、低耗電量和更長的電池壽命已經是行動裝置的必備要件，因此供電設計也朝向高度整合、高轉換效率、省電、智慧型等發展方向。而手機等行動裝置附加GPS功能之後，隨之而來的功耗問題也必須跟著解決，因此在電源供應與管理設計方式上，就要採取更為有效的方式來進行。
傳統上大多採用線性低壓降（LDO）穩壓器來將電池電壓轉換到預先確定的電壓值，並提供負載所需的功率。但近年來由於普遍採用深次微米製程製造技術，數位元件的工作電壓已變得相當低，再加上對更輕更小電池的需求，這類平均只有36％效率的穩壓器已經逐漸被揚棄，製造商轉而發展開關型穩壓器，這類穩壓元件的功率轉換效率可高達90％以上。
電源管理IC供應商一直將關注重點放在管理功率的傳遞上，即如何為不同的負載元件分配不同的功率向來是發展的重點。不過隨著技術的演進，從單純分配不同功耗，目前也已經轉向變成主動的管理元件的動態與靜態功耗。美國國家半導體公司的自動電壓調整（AVS）技術和TI的動態電壓與頻率調整（DVFS）技術正式在此思維之下所發展出來的解決方案。
而至於在手機電源管理單元（PMU）方面，PMU（Power Maganement Unit)電源管理單元是將多個的DC/DC轉換器（通常是2～3個），數個LDO（通常是6～14個），充電以及保護電路、電流／電壓檢測整合在一起的IC。

圖說：Maxim公司的PMU晶片腳位圖。（資料來源：Maxim）
此種電源管理單元在應用上的優點包括了可以簡化設計，減小元件所佔PCB板面積等，但是PMU也有幾項限制，首先便是支援電壓上限較低，因此行動裝置中的電池發展技術上也相對受到了限制，以往的0.18um/0.15um CMOS PMU技術最高只能支援3.3V電壓。不過這個限制已經逐漸被突破，Maxim公司的PMU晶片已經可以達到最大7.5V的極限範圍。其次，PMU在使用上不夠靈活，這是由於某些PMU只能針對某一類型的手機，比如Maxim公司最新的MAX8660/8661也只能與採用第三代Xscale處理器的手機或PDA配套使用。在缺乏泛用電源管理單元的情況之下，製造商也只能選擇相對具有競爭力的解決方案，而無法自行配套使用。
結論：智慧型手機結合GPS行動定位服務已經是未來的趨勢，雖然以目前的技術來看，在實際應用方面，個別功能可能還不若分離式架構產品那般突出，但是隨著半導體技術不斷的演進，加上軟體與硬體設計功能的加強，以及最關鍵的功耗部分最終將從新的電池技術與電源管理方式來獲得良好的解決，將來GPS手機也可能延伸出更多的應用，產業也可從這些應用中取得更大的商機。