車載GPS系統(tǒng)設計的特殊要求和注意事項

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

要解決這些難題，首先要對車載GPS導航系統(tǒng)的實現(xiàn)環(huán)境有所了解，TriQuint半導體的GPS產(chǎn)品市場經(jīng)理Josh Raha就表示：“對射頻工程師來說，在設計車載GPS導航系統(tǒng)時，相對于個人導航設備，他們必須考慮到三個關(guān)鍵的差異。首先是接收天線與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。”

他進一步解釋：“在個人導航設備中，所有的組件都集中在一起。但在汽車中，天線可能距離GPS接收機三四米之遙，會受到額外的線路損耗和可能存在的干擾的影響，因此車頂天線必須要“有源”，也就是說它需要有內(nèi)置濾波和增益功能。因此，整個射頻接收鏈路(第一個聲表面波濾波器、低噪聲放大器、第二個聲表面波濾波器)必須設計到車頂天線盒之內(nèi)。線路的另一端(座位或儀表板下)還需要另一個表面聲波濾波器，有可能還需要另一個低噪聲放大器，來確保傳輸?shù)紾PS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器件就是一個好例子，O2Micro的OZE167也是一個不錯的選擇。此外，針對于車載環(huán)境的特殊之處，SiGe最新的RFIC器件(如SE4150L等)集成了一個高性能低噪聲放大器，以及用于雙天線系統(tǒng)的天線開關(guān)功能。當不發(fā)熱的熱反射擋風玻璃或擋風玻璃加熱器削弱了GPS接收的性能時，雙天線系統(tǒng)便會連接外部GPS天線，以保持導航性能。除靈敏度外，首次定位時間(Time to First Fix, TTFF)的快慢是各類GPS應用都需要關(guān)注的技術(shù)指標，有些方案在冷啟動的條件下，TTFF長達30秒以上，嚴重影響了用戶的使用體驗。O2Micro的James Wang表示：“有些用戶甚至會因為等待時間過長而頻繁重啟系統(tǒng)，結(jié)果導致定位時間進一步被延長，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，這是一個一般用戶都樂于接受的時間。

另外一個需要考慮的重要設計因素是系統(tǒng)運行的環(huán)境。組件必須在較為寬廣的溫度范圍內(nèi)工作。汽車工業(yè)對于電子供應商的資格要求非常復雜。Josh Raha先生解釋：“這些要求有兩種：工廠資格和設備資格。汽車廠商要求半導體供應商的工廠通過TS-16969認證。TS-16969是一個ISO技術(shù)規(guī)范，規(guī)定了汽車相關(guān)產(chǎn)品設計、開發(fā)和生產(chǎn)的質(zhì)量體系要求。但是，即便工廠通過了認證，每件設備還必須合格才行。汽車電子協(xié)會(Automotive Electronics Council, AEC)制定了AEC-Qxxx系列資格規(guī)范，包括防潮、溫度循環(huán)和震動/沖擊等測試?！逼囋O計師應該選用符合AEC-Q100規(guī)范(有源組件)或AEC-Q200規(guī)范(無源組件)的電子組件。車載GPS系統(tǒng)對可靠性的要求更高，實現(xiàn)高可靠性除了選擇滿足汽車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，因為每一個焊接點都是一個潛在的失效因子。O2Micro GPS的芯片OZE167共124個接腳。IC整合成單芯片后，電路板上的IC數(shù)目減少，也就意味著接腳的數(shù)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(tǒng)的導航功能，將GPS系統(tǒng)用于汽車防盜也是非常實用的應用。Stefan Fulga先生表示：“通過結(jié)合GPS與Wi-Fi、GPRS或WiMAX技術(shù)來構(gòu)建一個通信鏈路，用于跟蹤被偷竊車輛；或當車輛不在指定區(qū)域時使其某些功能失效，就能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)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發(fā)一個單一的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，GPS衛(wèi)星信號經(jīng)過天線和射頻接收鏈路，傳輸?shù)叫酒M進行方位計算。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，不管是被盜車輛方位探測、道路導航，還是護送服務?！?end)