降低功耗噪聲是GPS設計難題-DR技術實現無間斷導航

?車載GPS(全球定位系統)導航系統目前十分具有市場前景，但在服務與技術的不斷融合中，也面臨諸多挑戰。GPS與通信系統更緊密的結合是未來的趨勢之一，整合之后的系統可提供交通情況、旅游景點信息等移動位置服務。引入DR(方位推算技術)功能后，系統將可實現無間斷定位導航。對于GPS接收器來說，降低功耗、抑制噪聲和干擾成為設計關鍵。

?? GPS與通信系統更緊密地結合是未來的趨勢之一，整合之后的系統可提供交通情況、旅游景點信息等移動位置服務。引入DR功能后，系統將可實現無間斷定位導航。

　　GPS服務內容不斷增加

　　信息、通信和娛樂是電子技術發展最快的三大領域，汽車電子是十分具有發展前景的新興市場，因此二者的結合必然能帶來更大的利潤空間。汽車電子領域發展迅速的資通娛樂系統即結合了信息、通信和娛樂三大領域最前沿的應用，已成為車體、傳動及安全三大傳統系統以外的第四大系統。
　　資通娛樂系統是新興車載應用，其被稱為Telematics，即集合了通信和信息兩方面的功能。按使用場景的不同，Telematics在產品定位上可以分為可攜式設備和車裝式設備兩種，這兩類設備又可依據是否具備對外的通信功能，再進一步將Telematics市場分為四大塊。其中車載GPS導航定位在Telematics系統中具有關鍵性的地位，其在車載系統中已逐漸成為必備的裝置，而且不斷發展出增值性的功能。
　　車載GPS系統除了可為駕駛提供導航信息等基本功能外，還在開發新的服務內容。GPS與無線通信技術結合便能為Telematics的服務供應商提供定位信息，當車輛遇到困難需要援助時，服務中心收到車輛的位置信息即可為車主提供道路救援；出租車或公交車、游覽車也可運用GPS來發揮車隊追蹤及管控的功能；此外，車輛丟失后也可通過此功能減少損失。

　　DR技術實現無間斷導航

　　DR即方位推算技術，主要用于GPS接收衛星信號有困難的場合。GPS系統需要接收衛星信號來實現定位和導航功能，而在信號不好或信號屏蔽較大的環境中，例如地下室、山洞、隧道、高樓林立的街巷等，GPS系統可能完全無法接收信號，此時就需要DR的幫助。
　　DR技術可作為GPS的補充性暫時導航工具，其原理是通過測量與計算距離與方向等影響位移的物理量來推算出車輛的相對位置改變。一般線性距離通過里程表或加速度傳感器來測量；高度的變化需要氣壓計等裝置；而羅盤、陀螺儀或差分里程計則用來測量轉動角度。
　　由于DR采用計算的方式獲得定位信息，因此雖然在短時間內其正確性相當高，甚至可以高于GPS；但較長時間后，由于累計誤差的影響，其導航定位精度會大幅度下降。這時重新利用GPS系統找出絕對的位置，才能再次使用DR。DR和GPS是相輔相成的車載導航系統，而高準確度的定位不能單純依靠DR。目前受DR傳感器的準確度、成本以及與導航系統整合的算法開發等方面的影響，商品化的DR產品仍然不多。
　　里程表是車輛的基本配置，現代汽車電子技術可通過CAN(控制器局域網)總線來把里程表與GPS接收器相連接來實現輔助定位，但里程表的準確性會因為長時間的使用而降低。GPS與先進的MEMS(微型電機系統)技術的結合可克服精度差的缺點。加速度傳感器和陀螺儀基于MEMS技術，具有很小的尺寸，十分容易集成到GPS系統，但要提升DR系統的精度，要時常進行在線傳感器的校準，這時就需要GPS的定位信號來修正DR傳感器的參數項目。另外，MEMS雖然可實現高精度，但由于其造價較高，由此造成的成本上升也不可避免。

　　降低功耗和噪聲是設計難題

　　車載GPS的硬件系統主要由天線、RF（射頻）、基帶、處理器、內存、總線接口等模塊構成。在系統構架上，這些模塊可以采用集成或獨立式，前者將多個單元整合為一顆系統單芯片、單封裝或模塊，以降低設計的難度及成本；后者采用各自獨立的架構來實現設計上的高靈活性。當系統工程師在進行設計時，必須在性能、成本與靈活性三方面間進行權衡。
　　準確性、靈敏度、第一次定位時間及通道數量是GPS接收器性能方面的重要指標，同時實現這四個方面的要求必然會在處理器性能、相關器信道數量、內存容量及接口速度等方面提出極高的要求，大幅提高產品成本。因此，明智的做法是在四者之間做出取舍，以迎合市場對性能和價格的多方面要求。
　　功耗和噪聲是常遇到的兩個難題，對于GPS接收器來說，功耗的降低和噪聲、干擾的抑制成為系統設計的關鍵。噪聲主要是從高頻轉低頻的過程中產生，因此噪聲抑制機制必須在此環節實施。例如可通過在射頻前端與相關器之間配置適當的電阻器來將SAMP CLK的信號諧波降到最小，以避免其混雜在中頻鏈路當中，達成抑制噪音的目的。此外，各單元在電路上的布局和布線也需要進行妥善的規劃，因為這些因素也會影響干擾的狀況。
　　功耗的主要來源是相關器的運作，因此降低功耗需要能分別控制每個相關器通道，即當不需要啟動所有信道的時候，系統能自動調整，僅啟動所需的相關器通道。此外，使用備用電池能將電源電壓降低，也有助于節省功耗。

　　GPS性能與天線密切相關

　　GPS系統的性能與天線密切相關。衛星信號的背景噪聲一般為-136dBW，為避免干擾，國際電信法規規定衛星傳送的信號不得大于-154dBW，如此微弱的GPS信號要求天線必須具有相當高的靈敏度。
　　GPS天線的靈敏度會受到其形狀的極大影響，由于GPS的信號屬于圓極化波，所以GPS接收天線也必須采用圓極化的工作方式。可用于GPS的天線種類包括片狀、螺旋式和平面倒F型等，其中片狀及螺旋式應用最多。
　　平板天線的成本較低，耐用性較強而且制作相對容易，但方向性是其明顯的缺點。方向性使平板天線要面向天空才能有較好的接收效果，因此在應用上會受到極大限制。除此之外，平板天線的精度也不是很穩定，其雖然能順利接收到正上方的衛星信號，但若不能獲取低角度的衛星信息，誤差也會相對較高。
　　四臂螺旋天線擁有360度接收能力，天線在任何方向都有3dB的增益，能讓GPS接收器以各種角度擺放，而且能接收到很低角度的衛星信號，這是與平板天線相比的優勢所在。此外，Balun(巴倫)電路設計是一種更好的做法，其優點是可有效地隔離天線周圍的噪音，并容許各種功能的天線并存于極小的空間中而不會互相干擾，這對于尺寸要求很高的手持設備天線設計十分適合，然而螺旋式天線與平板天線相比成本較高，這是其缺點之一。

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　　GPS系統架構

　　GPS定位系統的工作方式是利用衛星基本的三角定位原理，GPS接收裝置先找到三顆以上衛星的所在位置，再計算每顆衛星與接收器之間的距離，就能得出接收器在三維空間中的坐標值。GPS系統的二十多顆衛星會傳送L1及L2兩種頻率分別為1575.42MHz及1227.60MHz的信號。一般民用的GPS接收機只需接收L1，即1575.42MHz頻率的信號。
　GPS接收端的控制功能由微處理器或微控制器實現。處理器可以是獨立的單元，也可以和基帶集成。目前低端GPS接收器產品通常采用ARM7作為核心；高端產品一般為ARM9。此外，這類組件也會具備微處理器支持功能，例如UART(通用異步接收/發送裝置)和實時時鐘(RTC)等。
　

? 客戶接收端的GPS裝置會接收來自導航衛星的定位信號，它是一種單向的GPS信號接收器。首先，GPS天線會接收GPS衛星信號，再經由RF（射頻）前端將高頻信號轉為中頻、低頻數字信號傳送到GPS基帶模塊?；鶐У暮诵募夹g在于相關器的設計，相關器主要通過比對找出正確的衛星編號，進而比照取得多顆衛星的萬年歷和廣播星歷等資料。相關器的通道越多意味著越能更快速地找到衛星的位置，目前一般GPS接收器都至少提供12個通道的相關器，更高端的接收器則具有16甚至32個通道的相關器。