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射頻/無線  

基於伽利略衛星網路的GPS系統設計

上網時間: 2007年11月28日  打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:伽利略  軟體基頻處理  GPS 

全球定位系統(GPS)功能正快速成為消費電子應用的主要市場驅動力,也逐漸成為在各式各樣新一代消費性電子設備中脫穎而出的重要差異點。無論是汽車、個人導航設備乃至蜂巢式手機等應用都加入了精確的定位能力。此外,有許多先進的GPS服務也正在開發中,例如基於定位的廣告。事實上,能夠在地圖上定位用戶的功能足以推動GPS成為主流設備,但前提是不必大幅增加整體材料清單(BOM)成本和處理器負載。

然而,要做到以消費者願意支付的價格提供他們所期待的GPS性能和精密度,開發商必須熟悉一些在消費性電子設備中實現GPS功能的關鍵技術,如伽利略(Galileo)衛星網路。在伽利略衛星提供的輔助訊號幫助下,個人導航設備將較只有GPS功能的設備可以更快速和更精確地採集和鎖定位置,特別是在最需要位置定位服務、但GPS精密度又不夠的城市環境中。此外,隨著創新技術如軟體基頻處理(類似於軟體定義的無線電)的問世,製造商可以在不影響成本及功耗的情況下,把定位技術導入至個人多媒體播放器和手機之類的設備中。所有這些因素都使得伽利略與GPS的結合成為引人注目的技術。

伽利略:有效彌補GPS網路的不足

伽利略衛星是在歐盟贊助下開發和推行的一種平行式全球定位衛星網路。伽利略衛星的開發並不是為了與GPS競爭,而是與其協同工作。伽利略衛星將在多個頻段內傳輸訊號,其中之一是跟GPS一樣的L1波段頻率,且該波段頻率在互補軌道的GPS衛星之間是有間隔的,這樣,某個具體位置能擷取到的訊號量就會大增,這對於高樓林立的城市中接收設備的精密度影響很大。要獲得足夠的位置鎖定訊號,至少需要四顆衛星,基於伽利略/GPS的個人導般設備可同時使用來自兩個系統的衛星,也就是說可以有更多衛星訊號。實際上,這種高等級的精密度足以讓個人導航設備能夠確定路上行人正往哪一邊行走。

GPS問市至今已經有30多年歷史。1978年,第一批探索衛星被送上了太空;1989年,第一批實用衛星被投放至軌道上。GPS於1993年達到了初始運作能力(IOC),並於1995年實現了全面運作能力(FOC)。GPS由美國國防部管理,最初並不是特別為商業市場而設計。

在效果上,伽利略是對GPS的有效補充。由於伽利略可用的訊號數量更多,而且不受某一國政府機構的控制(例如可以不經警告就停止服務或改變衛星的精密度),所以能提供比GPS更高的精密度(在商業應用方面,伽利略的精密度為+/-4m,而GPS的精密度為+/-10m)。

目前,伽利略測試衛星GIOVE-A已經部署,並驗證了該技術所有重要的傳輸機制。隨著部署的深入展開,27顆伽利略衛星將會被運送到軌道上。由於目前的產品開發週期很長,許多OEM廠商已經著手考慮推行基於伽利略/GPS的架構,並讓相關產品逐漸進入市場,以便一旦伽利略系統正式運作,消費者就能夠立即享用到優勢。在理想情況下,這些設備目前只運用GPS工作,但當伽利略衛星定位系統建成後,就可以快速升級到採集伽利略的訊號。即使OEM商沒有計劃升級已經投放的設備,現在就設計能同時支援這兩種系統的架構,便可以避免當伽利略系統建成時,產品上市時間延遲和錯失商機。

目前的GPS架構由天線、射頻(RF)接收器、基頻處理器和連接到應用處理器的輸出匯流排介面組成(見圖1)。這樣的傳統設備既不受功率約束的限制,也不需要太多的靈活性,因為它們是針對特定設備(如車載GPS)而開發的,所以接收器硬體的性能可以得到高度最佳化。它們的無線部份不管是硬體還是軟體都幾乎沒有可配置能力或者不需要這種能力。它們常常以模組的形式出售給製造商,因此,OEM商沒有必要掌握更多有關RF設計和測試的細節要點。

儘管在針對特殊應用的實施方案中節省了大量成本,但是維護支援伽利略和GPS兩個截然不同的射頻子系統所需的成本卻遠遠超過了消費市場能夠承受的能力。更為重要的是,兩個射頻部份所佔據的空間和消耗的功率提高了一倍,而且還需要為應用處理器提供兩條匯流排介面。在這種情況下,把這些射頻部份整合為一個子組件就可以減少整體成本、複雜性和功耗。

事實上,因為GPS和伽利略採用相同的頻段(中心頻率為1.575GHz),所以有可能兩套系統共享一個射頻部份。然而,在訊號採集方式上的微小差異則需要以可配置的方式來實現。特別是伽利略訊號採用4MHz頻寬,而GPS採用2MHz頻寬,並執行一套不同的編碼方案。從基頻的觀點來看,這些調變方案都可以利用關聯器進行解調,因此可以採用一個基頻處理器,並透過獨立配置一個靈活的關聯器模組來同時解調伽利略和GPS這兩種訊號。

圖1:基於硬體基頻處理的GPS架構圖。
圖1:基於硬體基頻處理的GPS架構圖。

利用未充分使用的計算能力

傳統的基頻處理都是透過硬體實現的。然而,伽利略訊號方案目前尚未最終完成,如果現在以硬體方式實現,就需要重新配置基頻(只能用軟體實現)的靈活性,以根據最終標準作出必要的修改。此外,基於硬體的實現方案通常很不靈活,難以透過修改來適應為了改進性能和精密度而採用的新的訊號處理演算法。

以高性價比的方式實現伽利略/GPS功能的關鍵,就是利用現有架構中未被充分使用的運算能力,在軟體中實現一部份的基頻處理功能。例如,手機有一個應用處理器負責處理與通訊無關的所有功能,隨著人們對多媒體服務(如音樂和視訊播放)興趣的與日俱增,這種處理器已經變得越來越強大。然而,當這些服務不使用時,應用處理器常常處於閒置狀態,一般來說會被斷電,以降低它消耗的功率。

當基頻處理可以在應用處理器上以軟體實現的時候,消費型伽利略/GPS接收器就有可能成真。在這種方式中,由於一個接收器硬體已可支援多個衛星系統,所以基於軟體的伽利略/GPS就相當於軟體定義的無線電(SDR)。此外,隨著無線通訊技術不斷融合,可以預見在不遠的將來,消費電子設備將利用多功能無線電技術來支援藍牙、WiFi和使用可配置軟體基頻實現的伽利略/GPS。

開發商可以選擇繼續使用硬體來實現GPS的基頻處理,而利用未充分使用的主處理器資源在軟體中執行伽利略的基頻處理;又或者在軟體中同時實現GPS和伽利略兩種基頻處理。這兩種方法都能降低在消費應用中實現定位服務的成本,但在軟體中同時實現這兩種基頻處理可以完全消除對硬體基頻晶片的需求。

特別是,如果在軟體中推行基頻處理,可以將伽利略/GPS系統的價格降低50%以上。基於軟體的伽利略/GPS系統預計在供貨時能迅速達到1美元的價格點,而有助此目標成真的因素之一是功能軟體本身的商業模式:當軟體開發完成後,就不會有任何製造成本,而且軟體一直以來都是與硬體搭售,以作為促銷硬體的方法。透過整合固定的基頻處理技術(如關聯技術)和射頻電路還可以進一步節省成本(見圖3)。此外,伽利略可以在任何時間加入到基於軟體的基頻設備之中而不增加整體的硬體成本。相對來說,如果是基於硬體的實現方案,推行伽利略的配置將增加設備的零售成本,但卻不會馬上為消費者帶來價值。

軟體基頻處理是否可行可以由評估最壞情況下的加載來確定。對伽利略/GPS來說,峰值處理會在最初的訊號採集過程中或定位丟失之後(例如在開車通過一條長隧道之後)出現。當鎖定了位置後,基頻處理的運算量就會大幅下降,因為一旦系統掌握了位置資訊,維持該位置資訊就比較容易。

當然,最壞情況下的處理是不應過分佔用應用處理器的運算能力的,以免影響其它功能。初期的軟體基頻實現方案會消耗手機應用處理器(如ARM9)多達66%的可用運算能力,不過,軟體供應商預期能夠把這個負載降低到稍多於可接受的10到15%。

達到這一目標的實現方式之一就是採用非即時技術。要把數據作為訊號串流即時地處理需要基於中斷的處理能力,但這樣會導致高開銷,而且在不同應用中管理即時任務也很複雜。此外,由於處理器持續地被中斷以處理各種訊號,其電源就不是經常處於關閉狀態,因此大幅增加了整個系統的功耗。

非即時處理採用的是一種突發方式,一次收集許多數據樣本用於處理。雖然這會增加延遲,但這種少量的延遲是可以忽略的,並不會影響精密度或用戶體驗。由於數據比較集中,所以當應用處理器沒有忙於處理較高優先級的任務時,就可編排處理的日程進度。要注意的是,跟即時處理的情況不同,這個處理器並不會被定時喚醒後只去做基頻處理;相反,當處理器被某個任務喚醒後,便會執行基頻處理,這樣,處理器後面就能夠休眠比較長的時間。

圖2:利用雙硬體架構與基於軟體的架構實現的伽利略/GPS系統架構圖。
圖2:利用雙硬體架構與基於軟體的架構實現的伽利略/GPS系統架構圖。

解決靈敏度的問題

對於伽利略/GPS接收器(特別是手機)來說,靈敏度是一個關鍵的性能和精密度指示。訊號採集要求(A-GPS系統中的)接收器上的訊號電平在-130到-155dBm之間,大約比由RF前端模組所得的噪音電平低19到34dB。關聯器會把一個2MHz頻寬的訊號去擴展為一個50Hz的數據訊號,因而提供43dB的關聯增益,並把有用訊號提升到噪音電平以上,方便它們進行處理。然而,任何接近有用訊號頻率的其它通訊訊號或在有用頻段的諧波都可能成為一種干擾源,並進一步降低接收器的靈敏度。

最常見和最具破壞性的干擾源來自個人導航設備本身。例如,如果手機遠離基地台並以最大功率發射,這意味著在同一設備內1800MHz頻點處可能有30dBm的訊號,進一步導致伽利略/GPS訊號在最壞情況下的靈敏度衰減。

要克服內部傳輸干擾有若干方法。其一是由於發射訊號是已知的,因此可以從伽利略/GPS訊號中減去。另一種方法是使用濾波器把行動電話的干擾降低70dB以上,以保護輸入的衛星訊號。

然而,如果GPS擁有2MHz的頻寬而伽利略擴展至4MHz,那麼雙接收器架構就具有兩個最佳的濾波器。GPS的調變方式為BPSK,而伽利略的調變方式為BOC(1,1),這樣,兩種訊號都可以佔用相同的訊號頻寬,然後關聯器也能夠從伽利略訊號中辨別GPS訊號,反之亦然。

圖3:被劃分為軟體和射頻部份進行處理的各個功能結構圖(即把關聯功能從軟體轉移到無線部份進行處理)。
圖3:被劃分為軟體和射頻部份進行處理的各個功能結構圖(即把關聯功能從軟體轉移到無線部份進行處理)。

濾波器還適用於基頻處理器。以硬體實現基頻時,由於這些濾波器的參數是固定的,因此限制了無線部份的最佳化程度。但如果用軟體實現基頻濾波,這些參數就可以被改變,以匹配具體的訊號條件。此外,隨著濾波演算法的發展,這些濾波器可以被應用到現有的架構上。即便各種手機的架構存在極大的差異,但這樣的靈活性使單個雙無線接收器架構就可以很好地應用於不同的產品線。

靈敏度也可能因一個不良晶體或VCXO參考時脈而嚴重地降低。一般來說,時脈源越穩定,成本就越高,但採集時間也越快。例如,一個0.5ppm的參考時脈將使鎖定時間達到40秒的數量級。如果採集時間不成問題,那麼,2.5ppm的參考時脈就應該足夠了。

很多人都誤以為GSM參考時脈可以產生穩定的伽利略/GPS參考時脈,其實不然。GSM參考時脈是鎖定到網路的,而且需要頻繁進行頻率修正。有時侯,這些修正是透過GSM基頻驅動一個DAC來實現的,再由它驅動一個VCTCXO。參考時脈頻率的漸進式變化將不會讓伽利略/GPS接收器與衛星訊號保持訊號鎖定,特別是在訊號較弱的地方,這將導致定位丟失。所以,最安全的方法是針對伽利略/GPS子系統採用獨立的時脈,但這樣會增加整體設備的成本。開發商需要仔細考慮性能和成本之間的折衷,並在架構設計過程的早期避免開發出一個無法滿足最低精密度要求的設計。

總而言之,伽利略系統可以改善全球定位服務的可用性和性能,而增加的精密度能完美地補充GPS的不足。借助基於軟體的基頻處理功能,個人導航設備(包括手機和可攜式媒體播放器)將能夠充分發掘應用處理器的閒置處理能力,以高性價比的方式實現伽利略/GPS雙無線子系統,進而改進消費者的全球導航方式。

作者:Malcolm Lomer

GNSS解決方案部產品行銷經理

SiGe半導體公司





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