车载GPS系统设计的特殊要求和注意事项

消费类手持设备和车载应用是GPS最大的两个应用领域，GPS系统接收来自遥远太空的微弱信号，本身对系统设计和元器件接收灵敏度的要求就很高；而相对于消费类的GPS应用，车载GPS因应用环境特殊，在设计时需要注意的问题就更多了。SiGe半导体战略总监Stefan Fulga先生表示：“定位和跟踪的灵敏度、位置信息的准确度、重新定位时间等仅仅是工程师在构建车载GPS导航系统时所面对的部分难题。在严苛的环境，如城市峡谷中，维持导航质量是保持良好用户体验的关键所在。”

要解决这些难题，首先要对车载GPS导航系统的实现环境有所了解，TriQuint半导体的GPS产品市场经理Josh Raha就表示：“对射频工程师来说，在设计车载GPS导航系统时，相对于个人导航设备，他们必须考虑到三个关键的差异。首先是接收天线与GPS接收机的相对位置，其次是大小，最后运行环境也很重要。”

他进一步解释：“在个人导航设备中，所有的组件都集中在一起。但在汽车中，天线可能距离GPS接收机三四米之遥，会受到额外的线路损耗和可能存在的干扰的影响，因此车顶天线必须要“有源”，也就是说它需要有内置滤波和增益功能。因此，整个射频接收链路(第一个声表面波滤波器、低噪声放大器、第二个声表面波滤波器)必须设计到车顶天线盒之内。线路的另一端(座位或仪表板下)还需要另一个表面声波滤波器，有可能还需要另一个低噪声放大器，来确保传输到GPS接收芯片组的信号清晰可靠。

除了保证芯片组接收到高质量的信号，提高接收器的灵敏度也很重要，一方面它可以进一步提高定位的效果，另一方面也可以适当降低设计师设计接收链路的难度，SiGe最新的SE4150L器件就是一个好例子，O2Micro的OZE167也是一个不错的选择。此外，针对于车载环境的特殊之处，SiGe最新的RFIC器件(如SE4150L等)集成了一个高性能低噪声放大器，以及用于双天线系统的天线开关功能。当不发热的热反射挡风玻璃或挡风玻璃加热器削弱了GPS接收的性能时，双天线系统便会连接外部GPS天线，以保持导航性能。除灵敏度外，首次定位时间(TIme to First Fix, TTFF)的快慢是各类GPS应用都需要关注的技术指标，有些方案在冷启动的条件下，TTFF长达30秒以上，严重影响了用户的使用体验。O2Micro的James Wang表示：“有些用户甚至会因为等待时间过长而频繁重启系统，结果导致定位时间进一步被延长，由此产生对GPS设备的抱怨。”使用O2Micro的GPS芯片，在-135dBm的测试环境下TTFF已经可以被缩短至13.5秒，这是一个一般用户都乐于接受的时间。

另外一个需要考虑的重要设计因素是系统运行的环境。组件必须在较为宽广的温度范围内工作。汽车工业对于电子供应商的资格要求非常复杂。Josh Raha先生解释：“这些要求有两种：工厂资格和设备资格。汽车厂商要求半导体供应商的工厂通过TS-16969认证。TS-16969是一个ISO技术规范，规定了汽车相关产品设计、开发和生产的质量体系要求。但是，即便工厂通过了认证，每件设备还必须合格才行。汽车电子协会(AutomoTIve Electronics Council, AEC)制定了AEC-Qxxx系列资格规范，包括防潮、温度循环和震动/冲击等测试。”汽车设计师应该选用符合AEC-Q100规范(有源组件)或AEC-Q200规范(无源组件)的电子组件。车载GPS系统对可靠性的要求更高，实现高可靠性除了选择满足汽车标准要求的元器件外，芯片的集成度、焊接技术也很重要，James Wang表示：“将IC接脚焊接到电路板上的技术，是影响生产可靠度的关键之一，因为每一个焊接点都是一个潜在的失效因子。O2Micro GPS的芯片OZE167共124个接脚。IC整合成单芯片后，电路板上的IC数目减少，也就意味着接脚的数目减少，从而减少了失效的可能，即提高了电路的可靠性。”

此外，除了传统的导航功能，将GPS系统用于汽车防盗也是非常实用的应用。Stefan Fulga先生表示：“通过结合GPS与Wi-Fi、GPRS或WiMAX技术来构建一个通信链路，用于跟踪被偷窃车辆；或当车辆不在指定区域时使其某些功能失效，就能够实现防止偷窃功能。SiGe凭借在GPS、Wi-Fi和WiMAX领域的丰富经验，能够提供在单一前端模块中结合上述技术的解决方案，从而最大限度地降低成本，并且便于集成在汽车环境中。Josh Raha则表示：“为GPS应用集成更多功能最佳作法是开发一个单一的GPS接收链路，然后由其把位置信息传送到各种应用程序中。也就是说，GPS卫星信号经过天线和射频接收链路，传输到芯片组进行方位计算。当前方位知道之后，芯片组可以把该信息传送到任何需要的应用程序中，不管是被盗车辆方位探测、道路导航，还是护送服务。”