利用包括全球定位系統(tǒng)(GPS)和/或伽利略(Galileo)系統(tǒng)在內(nèi)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的位置追蹤在推動許多消費電子產(chǎn)品的發(fā)展。
GNSS不再僅限于用在汽車應用、測量儀器和海事導航或昂貴的手持跟蹤系統(tǒng)，它眼下在想方設法進入許多諸如蜂窩手機和個人導航設備(PND)等對成本敏感的應用。但若要使消費電子產(chǎn)品廣泛采用GNSS，則降低其成本仍是關鍵。
對價格點更靈活的高端設備來說，GNSS通常是采用獨立的基于硬件的模塊實現(xiàn)的。雖然基于硬件模塊的設計在簡化了GNSS設計的同時，還為主處理器提供完全評估后的定位數(shù)據(jù)，但這些模塊也相對增加了材料成本。因GNSS主要是作為消費電器的增值特性而非基本用途，所以想在給這些消費電子產(chǎn)品增加GNSS功能而不顯著影響產(chǎn)品成本就并非總行得通，從而帶來必須以不具有競爭優(yōu)勢的價格出售產(chǎn)品的風險。
基于軟件GNSS的出現(xiàn)極大降低了系統(tǒng)內(nèi)增加GNSS功能的成本。在基于軟件的GNSS內(nèi)， GNSS基帶微控制器傳統(tǒng)上所用的集成電路和存儲器投入就省去了，與獨立GNSS接收機成本相比，有效地把成本降低了80%。因此就有可能把GNSS功能以具成本效益的方式引入廣泛的包括便攜媒體播放機和手機在內(nèi)等的應用中。要說的是，這些設備業(yè)已采用彩色液晶顯示器(LCD)，所以可借用LCD顯示位置信息，且無須增加額外的新處理資源或能力就有可用于基帶處理的足夠處理資源。
對沒有或射頻(RF)設計經(jīng)驗不足的開發(fā)者來說，為消費電子設備開發(fā)一個GNSS子系統(tǒng)是件費心費力的事。主要困難還不在于優(yōu)化接收器性能(因為許多可用的GNSS接收器具有很高集成度)、降低成本以及對包括遵從參考設計建議所得到的好處在內(nèi)的全面支持。真正挑戰(zhàn)在于：當用純軟件實現(xiàn)GNSS基帶處理時，要做出多個會對靈敏度、性能、精度和功耗有巨大影響(好或壞)的架構和細節(jié)方面的決定。
若軟件工程師了解某些關鍵RF規(guī)則以及如何在系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)化這些規(guī)則，他們就可更好地最大化信號完整性和定位精度以為高度競爭的消費電子市場構建成功的GNSS系統(tǒng)。有可能借助軟件架構的內(nèi)在靈活性、以比基于硬件模塊方案更低的成本實現(xiàn)更高水平的系統(tǒng)能力(如：用更少衛(wèi)星改進定位精度)。
基帶GNSS處理絕非微不足道?；谛阅芎统杀驹颍珿NSS基帶傳統(tǒng)上是用硬件實行GNSS相關器功能，采用的方法或是利用真正的相關器指針或使用一個數(shù)字信號處理(DSP)核來仿真巨大并行相關器的功能[即，用于加強首次定位(TTFF)性能]。把GNSS整合進諸如手機等消費電子產(chǎn)品內(nèi)的動力業(yè)已改變了用于決定實現(xiàn)GNSS最有效方法的投資回報率(ROI)等式。真正的問題是為一個業(yè)已存在的架構引入GNSS時增加的成本。例如，若采用的是6美元成本的硬件來實現(xiàn)GNSS，則增加的系統(tǒng)成本就是6美元。
圖1顯示的是帶RF射頻和基于硬件基帶的傳統(tǒng)獨立GPS模塊架構。圖2顯示的是同樣的獨立GPS模塊是如何在諸如PND這樣的產(chǎn)品中與應用處理器連接起來的。在軟件基帶架構中，基帶處理是由主處理器(圖3)實現(xiàn)的，采用的方式是使在當代個人計算機內(nèi)的標配軟件調(diào)制解調(diào)器看起來一樣。
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在單獨GNSS應用中，因處理器時鐘周期成本遠比專用集成電路(ASIC)處理GNSS所用的相應數(shù)量門的成本高，所以GNSS信號的基帶處理傳統(tǒng)上不是用主處理器實現(xiàn)的。但在手機中，因為滿足最近對多媒體服務不斷增加的需求，一個功能強大的應用主處理器業(yè)已成為必須，該處理器必須具有足夠的能力解碼流音樂和視頻文件。另外，當沒使用這些服務時，應用處理器可能開工不足或處在待機模式，從而可用其完成其它任務。
直到最近，應用主處理器的處理能力無法提供實現(xiàn)基于軟件GNSS所需的功力。但現(xiàn)在該處理器有可能執(zhí)行GNSS基帶處理，從而顯著縮減了增加的費用并降低了在眾多消費電子產(chǎn)品內(nèi)引入GNSS的門檻。從價格角度，基于軟件的GNSS使系統(tǒng)成本增加約3美元(也即是基于硬件模塊成本的一半)但卻擴展了整個GNSS能力。
重要的是要注意到，它只是基于軟件GNSS子系統(tǒng)的起步成本所以也是其最高價格。基于這樣一個廣泛共識——軟件開發(fā)一旦完成后，就不再有制造成本——軟件模式與硬件模式的定價機制有很大不同。傳統(tǒng)上，市場把軟件看作是行銷硬件的手段，也因此軟件常常與硬件捆綁在一起。隨著降低GNSS射頻成本的市場壓力以及采用GNSS的大批量應用的出現(xiàn)，預計，該價格會迅速降低到1美元。在該成本，GNSS成為幾乎可在任何消費電子應用內(nèi)見到的一種功能。且同時它還將加速不同射頻技術的融匯，也即在單一一個軟件定義射頻(SDR)平臺內(nèi)包括進GNSS、藍牙和無線本地網(wǎng)(WLAN)等技術。
因基于軟件GNSS帶來的成本降低是通過利用應用主處理器閑置的處理周期獲得的，而應用主處理器業(yè)已是架構的一部分，這就把優(yōu)化RF處理的某些責任轉(zhuǎn)嫁給軟件開發(fā)商，而這些責任過去是由RF設計師擔當?shù)?。需注意的是，軟件開發(fā)人員進行的優(yōu)化并不牽扯開發(fā)及優(yōu)化RF基帶處理算法；市場上已有幾個RF領袖開發(fā)現(xiàn)成的GNSS基帶處理軟件。事實是，優(yōu)化是通過開發(fā)者將基于軟件的GNSS技術整合進現(xiàn)有設計的水平有多高來獲得的?；旧希瑑?yōu)化專注的是如何在最惡劣工作情況下保持性能和精度、最小化功耗以及保持架構靈活性。
應考慮的一個問題是最惡劣情況下的處理負載。因基于軟件處理的經(jīng)濟性部分取決于未使用的應用主處理器資源，所以基于軟件的GNSS處理需根據(jù)可用資源動態(tài)調(diào)整。在效果上，GNSS處理必須不能給諸如多媒體處理等其它系統(tǒng)功能帶來負面影響。當然，若能在最惡劣情況下的處理中保持精度，則基于約定，當有更多處理資源可用時，該精度也可保持。例如，在支持視頻和音頻回放的手機中，若視頻回放是手機中要求最大處理能力的功能，則包括音頻在內(nèi)的任何不使用視頻的模式對GNSS基帶處理來說，資源都是綽綽有余的。
在需要最多處理器資源的視頻回放中，GNSS基帶處理也許需要回調(diào)。但，考慮到視頻的視覺本質(zhì)，用戶將觀看視頻而非跟隨其目前位置。因此，僅當用戶暫停視頻并切換到位置跟蹤應用時，才需要高度準確的定位數(shù)據(jù)。
開發(fā)者可借此在視頻回放時，調(diào)整跟蹤精度。因用戶此時并不使用位置數(shù)據(jù)，開發(fā)者可選擇放寬精度容限。例如，利用需更少信息以估算位置的各種航位推算(dead-reckoning)技術，系統(tǒng)可在合理的精度內(nèi)獲得近似位置信息。當再次需要位置數(shù)據(jù)時，GNSS子系統(tǒng)可利用從視頻處理釋放出的處理資源迅速恢復到高精度。
注意，必須隨時保證一定精度的信號以避免丟失信號；否則，將需要重新獲取信號。源于重新獲取信號所需的時間以及最初的位置鎖定需要比跟蹤和保持位置多得多的計算資源，所以應避免完全丟失位置鎖定。
與其為實現(xiàn)持續(xù)導航以固定速率連續(xù)保持高精度，系統(tǒng)可采用若干步驟降低整個基帶處理負載：
* 減少被跟蹤衛(wèi)星數(shù)。因處理負荷與被跟蹤衛(wèi)星數(shù)有直接比例關系，此舉將減少保持位置所需的周期數(shù)。
* 減少系統(tǒng)處理的信號工作量。例如，在每三個采樣中只處理一個采樣將減少為有效保持位置必須處理的數(shù)據(jù)量。此舉將影響系統(tǒng)精度，但若系統(tǒng)業(yè)已在跟蹤很強信號，則犧牲的這點精度不足為慮。
* 減少定位速率。該標準定位速率是1定位/秒。并非所有應用需要該速率，例如，有些應用1定位/10秒這樣一個速率就夠了。
* 平均和濾波器數(shù)據(jù)。平均在降低精度的同時，也降低了錯誤幅值。取決于應用，平均可保守也可激進。
* 利用空閑周期獲得精度。有時，基帶處理負荷不重。與其讓這些周期閑置，GNSS子系統(tǒng)可動態(tài)要求這些周期來處理所需的更多信號以重新獲取精度，否則精度會降低。
* 選擇用同相/正交(in-phase /quadrature——I/Q)格式而非原始信號傳遞數(shù)據(jù)的射頻。通過用硬件執(zhí)行I/Q基帶轉(zhuǎn)換步驟，則分擔了應用主處理器的一些處理工作。該方法的一個主要缺陷是它在射頻和處理器間的接口生成兩倍需下載的數(shù)據(jù)量，從而要求一個比處理器所支持的更高速接口。
* 采用航位推算和插補。僅通過運行時鐘，系統(tǒng)可根據(jù)最后掌握的位置、方向和速度來估計用戶的大概位置。航位推算可長期保持相當精度。例如，高速公路上的汽車不太會突然轉(zhuǎn)向。當衛(wèi)星信號丟失(如汽車駛?cè)胨淼?時，航位推算是用于保持位置的相同技術之一。差別在于，“差”的信號狀況是刻意設置的而不是環(huán)境因素造成的
* 選用更高性能處理器。若沒有足夠的未利用周期，根據(jù)應用，則可能真需要把目前所用的應用處理器升級至下一檔可用的速度，此舉可能比使用一款硬件基帶處理器便宜。如手機應用處理器一般批量大、且采用最新和最具成本效益的工藝技術實現(xiàn)的，從而降低了成本。考慮到基帶處理器相對低的批量，一般會有更長的優(yōu)化周期。這樣，與基于硬件的基帶處理器相比，采用運行于更小規(guī)模應用主處理器上的軟件的基帶成本和功耗都會更低。
* 屏蔽延遲。在需要時間恢復足夠精度的這些場合，由用戶來屏蔽延遲是重要的。諸如需太長時間首次獲取信號的明晰可感的延遲會給用戶視覺造成極其負面的影響。例如，當確定基于GNSS設備的質(zhì)量時，許多用戶將專注于類似原初位置獲取等單一特性來評估整個GNSS質(zhì)量。若首次獲取位置耗時過長，許多用戶將不會勞神比較整個精度到底多高。因此，在無論系統(tǒng)到底干什么的情況下，盡快獲取首次位置都是很重要的。例如，需要用戶暫停視頻、返回菜單然后選擇GNSS位置映像屏幕的過程為GNSS子系統(tǒng)恢復精度、降低獲感等待時間額外提供了一段時間。
用于降低處理負載的上述許多技術也可同樣用于平衡功耗和靈敏度。即使系統(tǒng)有足夠未用或可用的處理資源，開發(fā)者或許也想在任何事件中應用最惡劣工作情況技術以限制功耗。
因系統(tǒng)內(nèi)的不同部分可分別控制，所以用軟件實現(xiàn)基帶處理支持比基于硬件方法更靈活的電源管理。另外，隨著新的創(chuàng)新算法和降耗技術的開發(fā)，可在現(xiàn)有設計中實現(xiàn)這些技術且不需昂貴的硅重新設計。其它降耗技術包括?:
* 系統(tǒng)級感知。GNSS子系統(tǒng)應訪問系統(tǒng)級狀態(tài)以便根據(jù)這些狀態(tài)采取行動。若PND確定用戶并沒主動看屏幕，當它關閉顯示器背光時也還會“通知”GNSS子系統(tǒng)同時減少位置處理負載。當用戶接著使用設備時，位置會被刷新。
* 保持GNSS時鐘。當關斷GNSS接收器系統(tǒng)或?qū)⑵湓O置為待機(休眠)模式時，只關斷射頻部分但保持GNSS時鐘。因時鐘也耗電，所以該技術實際需要更大功耗，但當系統(tǒng)喚醒時，因其不必重新獲取時間，它支持更快的信號獲取。該技術可直接與業(yè)已在設備中實現(xiàn)的任何降耗功能直接對接。
* 儲存關于最后一次已知位置的足夠信息。任何時間，該設備都有關于其大概位置的數(shù)據(jù)、時間或參考，因系統(tǒng)了解大致答案，所以信號獲取被提速。
* 存儲衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)。導航時，GNSS接收器需了解其全部跟蹤衛(wèi)星的軌道參數(shù)(年鑒和星歷)。在存儲該軌道數(shù)據(jù)時，會有接收器短時關閉、而以前使用的相同衛(wèi)星仍可用的場合。在這種情況，該接收器可熱啟動、把從潛態(tài)到首次定位所需時間從30多秒減少至3秒內(nèi)。
* 編程射頻以輸出更少數(shù)據(jù)。當試圖在最惡劣工作條件下保持精度時，將完整GNSS信號送至主處理器會有好處，這樣當突然有可用資源時就可利用這些信號，而若沒有可用資源時將丟棄這些采樣。但該方法以全速驅(qū)動射頻/處理器接口。通過降低來自射頻的信號速率、當有更多資源可用時，處理器雖失去了處理更多采樣的能力但卻保存了功率。
* 采用智能航位推算。當位置更容易估算時(如行駛在高速公路且半英里內(nèi)沒有出口的場合)，可采用犧牲精度以減小處理負載的航位推算及其它技術。通過采用航位推算技術有效進行交叉定位計算或降低信號速率，信號處理負載可被降低且保持足夠精度。基于軟件方法的靈活性使實現(xiàn)諸如此類的降耗特性簡單可行。
雖然不同應用的GNSS射頻要求都類似，考慮到各種情況不同的性能和敏感性要求，其基帶處理卻不同?；谲浖幕鶐幚頌殚_發(fā)者提供靈活性以調(diào)適處理來滿足每個特定應用的成本、功率和性能需要。例如，GNSS接收器所能支持的最大信道數(shù)是一個公共測度指標。就硬件基帶說，必須在發(fā)布制造集成電路所需的硅生產(chǎn)工具前做出該決定。就軟件基帶，可動態(tài)調(diào)整該數(shù)值以匹配特定應用或一組工作條件。
基于軟件的GNSS具有使開發(fā)者迅速利用持續(xù)創(chuàng)新的GNSS算法開發(fā)的好處。例如，可開發(fā)出補償特定信號或環(huán)境條件的算法。隨著這些算法的可用，可將其引入處理算法庫，基于軟件的GNSS設備有可能利用這些資源改進精度和跟蹤靈敏度等。
借助軟件還簡化了多個產(chǎn)品線的GNSS配置。例如，不同手機模型要對付不同的最惡劣工作條件。雖然要在多種手機型號內(nèi)優(yōu)化硬件模塊是困難的，但軟件使開發(fā)者有以簡捷方式配置處理的靈活性。因此，OEM可設計單一射頻平臺而不是為每個產(chǎn)品線設計獨立射頻。
一些主處理器在它們可處理的GNSS數(shù)據(jù)帶寬上有限制。例如，一些處理器僅有足夠的輸入/輸出(I/O)端口允許單一GNSS信號輸入(如1b SIGN)以及5.456 MHz的時鐘信號輸出。為得到該數(shù)據(jù)速率，在被送至接口前，三個采樣中的兩個一般要被丟棄(或斃除)。開發(fā)者有在射頻和丟棄這些適當采樣的處理器間引入‘膠合邏輯’的選擇，特別是一個可被配置以丟棄采樣、利用更快接口或采用多個接口的射頻。惡化的信號的確同時惡化獲取和跟蹤靈敏度。但，在某些情況下可調(diào)整軟件以補償降低了的靈敏度。
因其靈活的特性，基于軟件的GNSS有可能獲得比基于硬件實現(xiàn)更高的精度。圖4顯示一個采用Microsoft Autoroute在英國倫敦Canary Wharf區(qū)進行的導航試驗的導航圖。綠點顯示的位置是由基于硬件、帶外接有源天線的接收器記錄的，而紅點是基于軟件的接收器(在帶外部有源天線的筆記本電腦上運行CSR-NordNav E5000 SW GNSS的SE4110LEK3)所記錄的。
表1顯示的是Canary Wharf道路試驗的一些最大差別。有趣的是，雖然基于硬件的接收器可平均跟蹤更多衛(wèi)星(6.9比5.1)，但實際上，基于軟件接收器的Horizontal Dilution of Precision(HDOP——用于表述更差位置精度的一個參數(shù)，越大精度越糟)要好些。這在更大程度上源于基于軟件GNSS接收器更高的平均SNR，基于硬件和軟件設備間3 dB的靈敏度差異使軟件方案有能力跟蹤更少衛(wèi)星且實現(xiàn)更可靠的導航。
在評估和開發(fā)基于軟件GNSS子系統(tǒng)時另一個重要因素是支持預計在2010年前投入使用的伽利略系統(tǒng)的軟件和射頻靈活性。伽利略是歐洲設計的衛(wèi)星網(wǎng)絡，它不是同GPS競爭的，而是與其協(xié)同工作。伽利略衛(wèi)星將以若干頻帶發(fā)送信號，因L1頻段利用與GPS相同的頻率，且伽利略衛(wèi)星也以與GPS衛(wèi)星互補的軌道間隔布放，所以，這種安排會增加從任何位置獲取的信號數(shù)。伽利略還將提供比GPS更高的位置精度(伽利略和GPS的商用精度分別為±4m和±10m)。系統(tǒng)有能力同時跟蹤伽利略和GPS衛(wèi)星且不被單一政府機構控制，這些機構不能沒有事先預警就中斷服務或改變衛(wèi)星精度?？赏瑫r跟蹤伽利略和GPS衛(wèi)星的系統(tǒng)有能力在主要城市的高樓大廈間實現(xiàn)精度上的顯著改進，使PND能確定街道的哪側(cè)有行人，從而增加了PND的可用性、可靠性和受期待程度。
雖然相同的射頻可用于同時獲取伽利略和GPS信號，但它們需要截然不同的基帶處理。它要求對基帶硬件進行充分擴展。在伽利略提供服務前想要支持它的設備需消化增加硬件所需的成本且不會立即帶來性能方面的益處。
采用軟件方法，伽利略和GPS基帶都可用軟件實現(xiàn)。這意味著可通過軟件升級實現(xiàn)伽利略基帶，從而支持現(xiàn)有設備現(xiàn)場獲取伽利略信號且不同時增加設備成本。即使OEM沒有升級業(yè)已部署設備的計劃，也應設計出可支持兩種系統(tǒng)的架構以避免代價高昂的上市延誤及當伽利略可用時失去商機的情況。
GNSS有望在許多消費電器應用中成為重要的差異化特性。通過用軟件實現(xiàn)GNSS基帶處理，開發(fā)者可利用現(xiàn)有處理資源。雖然此舉將某些優(yōu)化RF系統(tǒng)的任務轉(zhuǎn)嫁給軟件團隊，開發(fā)者通過認知具體架構決定對基帶處理性能的影響來武裝自己。這樣，軟件開發(fā)者甚至可在最惡劣工作條件下以最優(yōu)化性能保持定位服務。
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