小尺寸/多功能當道　次世代GPS技術嶄露頭角

時勢所趨　尺寸更小  

圖1　AMY--全球最小的GPS模組

任何人若對手中精巧的最新電子產品感到驚奇時，可能怎麼也想不到要實現這樣小巧設計所需的創新技術為何。重要的技術提升不只包括縮小晶片面積，還必須兼顧使用更少、更精簡的濾波器、石英和天線等被動元件。此外，減少外部元件數量以及採用更小、更低價的元件，都成功地推動了GPS接收器廠商實現此一整合的新境界。  

u-blox所提供的AMY GPS模組就是一個很好的例子(圖1)。此精巧模組的尺寸僅有6.5毫米×8毫米，比大多數的小型化構裝(SOP)IC封裝都還小，但其中整合了GPS接收器、微處理器、射頻(RF)前端，再加上所有的被動濾波器、石英元件，以及廣受歡迎的通用序列匯流排(USB)和I2C序列介面，只要再加入天線即可。  

圖2　內建AMY-5M GPS模組的SPOT GPS發報器，只有手掌大小。

AMY模組已被多款精巧的手持式產品所採用，例如最近推出的SPOT GPS發報器(Messenger)，這是一款可利用觸控按鍵將使用者位置和簡訊透過簡訊服務(SMS)訊息或電子郵件立即發送給朋友、家人或同事的裝置(圖2)。  

u-blox的模組化設計為GPS帶來額外的效益，譬如所有元件的布局(Layout)、選用和配置都經過謹慎的最佳化設計(圖3)，以達到最高效能，並免除了設計與測試複雜混合訊號和高頻率元件的複雜度，還能同時簡化多種被動元件的後勤和採購作業。

圖3　此一非常小巧的AMY GPS模組是以u blox 6高密度處理為基礎，並與一超靈敏RF接收器和32位元ARM微處理器封裝在一起。

對靈敏度要求日益嚴苛  

如果精巧、時尚的掌上型裝置不能提供可靠的定位訊息，那麼它的優點很快地就會被遺忘。小巧裝置免不了會帶來一些無可避免的副作用，例如較小的天線意味著較弱的訊號接受度，再加上較高密度的雜訊產生電子，會使其更難以偵測並追蹤即使在開放天空的環境下通常也只有-120dBm的極弱GPS衛星訊號。  

特別的是，在大樓林立的都會區操作時，只靠超靈敏RF接收器和濾波器是不夠的，智慧式演算法必須能夠用來「認出」極弱的GPS訊號，並將其從背景雜訊中擷取出來。因此，GPS接收器製造商試圖同時在類比和數位領域內提升靈敏度。  

用類比技術移除頻帶外雜訊  

幾乎每一個GPS接收器都利用訊號路徑上的表面聲波(SAW)濾波器來減弱頻帶外(Out-of-band)雜訊。而u-blox等業者還會在RF前端放置一個低通抗交疊(Anti-aliasing)濾波器，以消除會在類比到數位轉換過程中產生的交疊訊號。此外，一個緊接在類比數位轉換器(ADC)後面的高通濾波器可免除伴隨數據轉換而來的直流電(DC)元件，同時還能消除互補式金屬氧化物半導體(CMOS)電路中固有的「閃爍雜訊」(Flicker Noise)。  

以數位技術移除頻帶內雜訊  

要消除頻帶內(In-band)雜訊，只靠類比濾波是不夠的。智慧式演算法必須被用來過濾GPS頻帶內的訊號，並根據統計分析來確認出雜訊與訊號，再針對每個類型採取適當的做法。要產生即時結果，意味著需要大量的處理性能，亦即在每個u-blox GPS接收器中有一個專門用來執行此任務的32位元安謀國際(ARM)處理器。在此處理器的控制下，u-blox專屬的硬體和軟體結合，已證明比一般GPS接收器更能容忍、最高達25dBm的干擾訊號。  

這款以u-blox 6為基礎的GPS接收器的典型靈敏度能夠帶來可靠的效能，甚至在最差的GPS訊號強度條件下亦是如此，例如追蹤時的-160dBm、重新擷取(Reacquisition)時的-160dBm以及冷開機(Coldstart)時的-147dBm(含TCXO)。  

延長電池壽命勢在必行  

不管可攜式裝置的尺寸多小、多靈敏、功能多齊全，但若沒有足夠的電池壽命，沒多久也一樣會被束之高閣。對行動上網裝置、行動筆記型電腦、可攜式導航裝置(PND)、智慧型手機、個人追蹤器和資料記錄器等消費性產品來說，電池壽命當然是購買時最主要的考量點之一。依照所需的完成定位時間類型如即時的或歷史的，有多種不同技巧可用來節省電源：  

縮短即時GPS接收器中的功率消耗  

這通常是透過最小化GPS接收器主動搜尋衛星星曆(軌道位置)資料的時間來達成。譬如，建置GPS接收器耗電量很低的低功率閒置模式，但仍能夠在需要時快速啟動；衛星訊號週期性取樣，然後再回到低功率模式，以確保能取得最近的衛星位置資料，才能在啟動時快速完成定位；根據使用者習慣，可設定軟體配置更新頻率從每1秒到每12天一次以節省電源(例如在夜晚用最低的更新頻率，或根據「學習」每個使用者的日常習慣)，或者根據應用需求來設定(例如一個追蹤器只需每小時或每天知道它的位置)；利用衛星配置每24小時重複一次的特性，讓可測式(Predictive)演算法根據衛星星曆的先前知識來加速定位，並縮短接收器啟動所需的時間；再者，利用預載至記憶體中可預測衛星星曆的「輔助GPS」(Assisted-GPS)資料，來加速未來某固定時間內的定位效能，如u-blox的「AssistNow Offline」服務。  

降低非即時GPS接收器的功率消耗  

圖4　u-blox 6 GPS接收器中的專利「擷取與處理」技術

對照片地理標記(Geotagging)等定位資料稍後才需要的應用來說，可採用另一種方法。根據 u-blox在u-blox 6 GPS接收器中所推出的專利 「擷取與處理(Capture & Process)」技術(圖4)，可視衛星訊號的快照(Snapshot)能夠依需求在不到1秒的時間內取得。  

此資料可在稍後再上載至個人電腦(PC)。透過結合網際網路上的歷史星曆資料，u-blox的軟體(稱為YUMA)能夠精確分辨每個「擷取」至經度/緯度，甚至到街道地址。此外，由於接收器僅啟動不到1秒的時間，因此「擷取與處理」技術並不會影響到電池壽命。  

與行動通訊數據機互通  

最新一代的GPS能夠使裝置同時也具備無線連接性。知道自己目前所處的位置是非常有用的，但更有趣的是能夠告訴別人，或是下載所在位置相關的資訊。結合GPS與全球行動通訊系統(GSM)等行動網路的連接性，能帶來全新的定址服務(Location-based Services, LBS)。例如，附近有如購物、餐廳、ATM、公共運輸、旅遊資訊、警察局等哪些服務，包括如何到達，並提供汽車和行人詳細指示。另外還包括照片、菜單和特賣或特價的廣告，如「餓了嗎？請光臨Gino比薩餐廳，享有買一送一優惠，距離此地左轉僅50公尺！」。除此之外，能夠得知是否有任何朋友或家人在附近，該如何找到他們。並且還涵蓋社交網路，找出是否有任何有趣的人在附近，造就鄰近約會(Proximity Dating)的機會。  

若要從任何地方傳送和接收與位置有關的訊息，最好是透過既有覆蓋範圍廣的行動網路如GSM/整合封包無線服務(GPRS)來完成。這類系統同時採用GPS接收器和GSM/GPRS收發器，因此不管是在軟體還是硬體層級上都須要緊密整合此兩種技術。  

簡易結合GSM/GPRS  

圖5　具備輔助GPS客戶端程式的LEON GSM/GPRS模組

有鑑於在可攜式裝置上融合GSM/GPS技術可帶來的無數令人興奮的應用，u-blox已在其GSM/ GPRS數據機模組LEON系列產品內建置了特殊特性，以減輕整合GSM與GPS功能性所需的設計工作(圖5)。  

將LEON GSM/GPRS模組與u-blox GPS接收器結合，可讓設計人員直接透過LEON就能完整地存取到GPS接收器。  

LEON可將控制訊息透過簡單的二線I2C介面傳送到GPS接收器(圖6)。這意味著，不需要第二個介面，GPS接收器的完整控制可透過GSM數據機以AT指令來達成。這可帶來簡易且具成本效益的GSM/GPS整合，並能最佳化利用印刷電路板(PCB)空間。  

嵌入式A-GPS縮短首次定位時間  

圖6　結合LEON GSM/GPRS模組與u blox GPS接收器之後，設計人員只要透過LEON就能完整存取到GPS接收器。

u-blox GSM/GPS解決方案的另一個重要優勢是，LEON包含嵌入式AssistNow韌體客戶端程式，可同時支援線上和離線輔助GPS，明顯縮短首次定位時間(Time to First Fix)(圖7)。  

結合GSM/GPS解決方案與輔助式GPS服務，可帶來多項優點，例如更佳的GPS效能，即使在微弱GPS訊號條件下的大樓林立都會區中同樣效能不減；大幅縮短首次定位時間，以秒計算，而非以分計算；毋須應用微控制器的資源；毋須在主機微控器上進行軟體整合。

圖7　LEON內含嵌入式AssistNow韌體客戶端程式，可同時支援線上和離線輔助GPS。

向後相容性降低成本  

最後，OEM製造商必須持續在市場上推出新產品，而每個新一代產品都須具備更多功能、更小尺寸以及更長的電池壽命。新產品通常除了根據軟體升級提供逐步的功能提升外，元件製造商所做的功能升級也是重要一環。同時，多個世代的產品通常都是同時存在的，一個機型會逐漸被新機型所取代。  

為了符合上市時程需求，並降低因為不同軟體和布局需求所帶來的設計錯誤風險，元件製造商必須能夠推出可與先前產品版本向後相容的新一代產品。這也是u-blox所奉行的哲學：每一代GPS模組都可與先前版本接腳(Drop-in)相容，以維持向後相容性，舉例來說，所有的u-blox 6 GPS模組都可與u-blox 5模組接腳相容。如此一來，原始設備製造商(OEM)的風險就可降至最低，現有的軟體和硬體模組都能夠重複使用，同時也可簡化物流作業。  

最重要的是，能以更低成本設計新一代的產品，同時消費者也能以更低價格購得產品，這也是廠商非常重要的賣點！  

(本文作者為u-blox通訊經理)