車(chē)載GPS系統設計的特殊要求和注意事項

消費類(lèi)手持設備和車(chē)載應用是GPS最大的兩個(gè)應用領(lǐng)域，GPS系統接收來(lái)自遙遠太空的微弱信號，本身對系統設計和元器件接收靈敏度的要求就很高；而相對于消費類(lèi)的GPS應用，車(chē)載GPS因應用環(huán)境特殊，在設計時(shí)需要注意的問(wèn)題就更多了。SiGe半導體戰略總監Stefan Fulga先生表示：“定位和跟蹤的靈敏度、位置信息的準確度、重新定位時(shí)間等僅僅是工程師在構建車(chē)載GPS導航系統時(shí)所面對的部分難題。在嚴苛的環(huán)境，如城市峽谷中，維持導航質(zhì)量是保持良好用戶(hù)體驗的關(guān)鍵所在?！?

要解決這些難題，首先要對車(chē)載GPS導航系統的實(shí)現環(huán)境有所了解，TriQuint半導體的GPS產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Josh Raha就表示：“對射頻工程師來(lái)說(shuō)，在設計車(chē)載GPS導航系統時(shí)，相對于個(gè)人導航設備，他們必須考慮到三個(gè)關(guān)鍵的差異。首先是接收天線(xiàn)與GPS接收機的相對位置，其次是大小，最后運行環(huán)境也很重要?！?

他進(jìn)一步解釋?zhuān)骸霸趥€(gè)人導航設備中，所有的組件都集中在一起。但在汽車(chē)中，天線(xiàn)可能距離GPS接收機三四米之遙，會(huì )受到額外的線(xiàn)路損耗和可能存在的干擾的影響，因此車(chē)頂天線(xiàn)必須要“有源”，也就是說(shuō)它需要有內置濾波和增益功能。因此，整個(gè)射頻接收鏈路(第一個(gè)聲表面波濾波器、低噪聲放大器、第二個(gè)聲表面波濾波器)必須設計到車(chē)頂天線(xiàn)盒之內。線(xiàn)路的另一端(座位或儀表板下)還需要另一個(gè)表面聲波濾波器，有可能還需要另一個(gè)低噪聲放大器，來(lái)確保傳輸到GPS接收芯片組的信號清晰可靠。

除了保證芯片組接收到高質(zhì)量的信號，提高接收器的靈敏度也很重要，一方面它可以進(jìn)一步提高定位的效果，另一方面也可以適當降低設計師設計接收鏈路的難度，SiGe最新的SE4150L器件就是一個(gè)好例子，O2Micro的OZE167也是一個(gè)不錯的選擇。此外，針對于車(chē)載環(huán)境的特殊之處，SiGe最新的RFIC器件(如SE4150L等)集成了一個(gè)高性能低噪聲放大器，以及用于雙天線(xiàn)系統的天線(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。當不發(fā)熱的熱反射擋風(fēng)玻璃或擋風(fēng)玻璃加熱器削弱了GPS接收的性能時(shí)，雙天線(xiàn)系統便會(huì )連接外部GPS天線(xiàn)，以保持導航性能。除靈敏度外，首次定位時(shí)間(Time to First Fix, TTFF)的快慢是各類(lèi)GPS應用都需要關(guān)注的技術(shù)指標，有些方案在冷啟動(dòng)的條件下，TTFF長(cháng)達30秒以上，嚴重影響了用戶(hù)的使用體驗。O2Micro的James Wang表示：“有些用戶(hù)甚至會(huì )因為等待時(shí)間過(guò)長(cháng)而頻繁重啟系統，結果導致定位時(shí)間進(jìn)一步被延長(cháng)，由此產(chǎn)生對GPS設備的抱怨?！笔褂肙2Micro的GPS芯片，在-135dBm的測試環(huán)境下TTFF已經(jīng)可以被縮短至13.5秒，這是一個(gè)一般用戶(hù)都樂(lè )于接受的時(shí)間。

另外一個(gè)需要考慮的重要設計因素是系統運行的環(huán)境。組件必須在較為寬廣的溫度范圍內工作。汽車(chē)工業(yè)對于電子供應商的資格要求非常復雜。Josh Raha先生解釋?zhuān)骸斑@些要求有兩種：工廠(chǎng)資格和設備資格。汽車(chē)廠(chǎng)商要求半導體供應商的工廠(chǎng)通過(guò)TS-16969認證。TS-16969是一個(gè)ISO技術(shù)規范，規定了汽車(chē)相關(guān)產(chǎn)品設計、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的質(zhì)量體系要求。但是，即便工廠(chǎng)通過(guò)了認證，每件設備還必須合格才行。汽車(chē)電子協(xié)會(huì )(Automotive Electronics Council, AEC)制定了AEC-Qxxx系列資格規范，包括防潮、溫度循環(huán)和震動(dòng)/沖擊等測試?！逼?chē)設計師應該選用符合AEC-Q100規范(有源組件)或AEC-Q200規范(無(wú)源組件)的電子組件。車(chē)載GPS系統對可靠性的要求更高，實(shí)現高可靠性除了選擇滿(mǎn)足汽車(chē)標準要求的元器件外，芯片的集成度、焊接技術(shù)也很重要，James Wang表示：“將IC接腳焊接到電路板上的技術(shù)，是影響生產(chǎn)可靠度的關(guān)鍵之一，因為每一個(gè)焊接點(diǎn)都是一個(gè)潛在的失效因子。O2Micro GPS的芯片OZE167共124個(gè)接腳。IC整合成單芯片后，電路板上的IC數目減少，也就意味著(zhù)接腳的數目減少，從而減少了失效的可能，即提高了電路的可靠性?！?

此外，除了傳統的導航功能，將GPS系統用于汽車(chē)防盜也是非常實(shí)用的應用。Stefan Fulga先生表示：“通過(guò)結合GPS與Wi-Fi、GPRS或WiMAX技術(shù)來(lái)構建一個(gè)通信鏈路，用于跟蹤被偷竊車(chē)輛；或當車(chē)輛不在指定區域時(shí)使其某些功能失效，就能夠實(shí)現防止偷竊功能。SiGe憑借在GPS、Wi-Fi和WiMAX領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗，能夠提供在單一前端模塊中結合上述技術(shù)的解決方案，從而最大限度地降低成本，并且便于集成在汽車(chē)環(huán)境中。Josh Raha則表示：“為GPS應用集成更多功能最佳作法是開(kāi)發(fā)一個(gè)單一的GPS接收鏈路，然后由其把位置信息傳送到各種應用程序中。也就是說(shuō)，GPS衛星信號經(jīng)過(guò)天線(xiàn)和射頻接收鏈路，傳輸到芯片組進(jìn)行方位計算。當前方位知道之后，芯片組可以把該信息傳送到任何需要的應用程序中，不管是被盜車(chē)輛方位探測、道路導航，還是護送服務(wù)?！?end)