如何優化消費電子設備內的GPS系統

位置跟踪（Position tracking）可能會成為消費電子市場中最受歡迎、也因此最重要的新興技術之一。能夠知道一個人的位置所帶來的好處，使消費者對這類服務的需求不斷增長。如今，這種建立在全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）技術基礎上的位置跟踪已不再限於諸如測繪、海面導航、汽車或昂貴的手持設備之類的高端應用。最近幾項在GNSS 技術上的創新，加上消費電子設備的整體進步發展，已經使得位置跟踪服務可能在手機和個人導航設​​備（PND）等對成本非常敏感的眾多應用中實現。

然而，要在消費電子應用中引入GNSS功能，開發人員就得盡量把成本壓到最低，同時還要最大限度地提高性能和精度。此外，對諸如手機之類的應用，在設計上還會受到一些額外的約束，例如電池壽命和設備尺寸更受限制等。而且，由於許多消費電子開發人員不熟悉GNSS 射頻（RF）技術，因此設計過程變得更加複雜。

基於軟件的GNSS

在過去的10年裡，數字多媒體服務已使消費電子產業面目一新。消費電子對數字音/視頻功能的需求已使得其架構演化，具備了足以實現這類服務的處理能力和存儲資源。消費電子所具備的這些處理和存儲資源，也可用於實現基於軟件的GNSS技術，而且成本效益很高。

傳統上，位置跟踪功能一直是通過單獨的硬件模塊（參見圖1）來實現的。對那些以位置跟踪為主的應用來說，使用這種模塊是個不錯的選擇，因為其RF子系統完全針對位置跟踪應用而設計，並可向主處理器提供經全面評測的定位數據，故開發人員不需要考慮RF設計所牽涉的許多複雜問題。

圖1. 傳統GPS 模塊採用基於硬件的RF 接收器和基帶處理器。這類模塊能向主處理器提供經過全面評測的定位數據，因而能夠簡化RF子系統的開發工作。
 
不過，消費電子應用往往太關注成本，因而無法承擔這樣一個硬件模塊的費用。此外，由於位置跟踪是這類設備的次要功能、或者說是使該設備更加受歡迎的附加功能，所以不可能為了它而添加更多的部件，增加材料清單（BOM），以致最終銷售價格超出預期。

優化基於軟件的GNSS系統
 
要在消費電子設備中增加基於軟件的GNSS 功能，對於缺乏RF經驗的開發人員來說可能很可怕。實際上，優化RF接收器仍然屬於模塊OEM的範疇，而且只要跟隨參考設計和相關配套設計的建議，就可獲得很好的效果。所不同的只是現在主處理器接收的是基帶信號，而不是（來自獨立式GNSS接收模塊的）定位數據或（來自硬件GNSS相關器的）偽距（pseudo-range） 測量數據，也無需對RF接收器或基帶軟件進行任何開發或改進。設計人員真正要面對的優化問題，是如何將基帶處理軟件更好地集成在現有設備中。這會涉及許多架構上和實施上的權衡問題，需要加以考慮（包括在最差工作條件下，以最小的功耗維持性能和精確度的問題）；而且這些問題對靈敏度、性能、精度和功耗的影響巨大。

最差工作條件定義了基於軟件的基帶處理的極限。畢竟，若在主處理器處於最大負荷時都能維持精度，那麼當主處理器有更多處理資源可用時，就肯定會工作得更出色。

在具備多媒體功能的消費電子設備中，主處理器一般都要處理所有基本功能，同時還得支持壓縮視頻和流音頻的解碼和播放。因此，當播放視頻或音頻時，與GNSS基帶處理相關的負荷就會受到最大限制。不過，雖然視頻和位置跟踪信息都要佔用整個顯示屏，但用戶也不太可能既觀看視頻節目，又同時要求高精度的位置跟​​踪信息。要注意的是，在播放視頻節目時，設備仍然需要維持適當的靈敏度和精度來跟踪GNSS信號，以避免失去了信號，而稍後得花時間重新獲取。幸好，大多數設備在跟踪最少的GNSS衛星信號時都能容忍精度稍減。為了不使主處理器過載，​​並影響視頻播放質量，開發人員可採用諸如推算定位（dead reckoning）之類的技術（參見補充資料：最差工作條件的調和戰略）來大幅減少基帶處理負荷，並以逐漸降低但仍然合理的精度來維持定位功能。當需要更精確的定位數據時（例如用戶暫停視頻節目來查看自己的當前位置），GNSS系統就可利用當前的可用處理資源，快速恢復定位精度。其實，很多能在最差工作條件下減少處理負荷的技術可以酌情用於靈敏度和功耗之間的權衡。雖然，設備的主處理器週期也許可用於基帶處理，但卻要在功耗上付出代價。在電池壽命極為重要的手持設備中，如果刻意將定位精度維持在一個合理的水平，設備就能使主處理器多置於待機模式以節省電能。基於軟件的基帶處理的主要優點之一，是能夠靈活地在設備上實現各種創新的節能技術（參見補充材料：各種創新的節能技術）。這是因為系統的不同部分都可單獨控制，而且無需進行昂貴的重新流片（re-spin），就可在現有設計