微型化GPS模組設計趨勢剖析

在各種各樣的可攜式設備中，近來都將GPS定位視為必備的功能之一。除了智慧型手機外，新興的MID與Netbook也紛紛導入GPS功能，甚至連數位相機也開始內建GPS，以為相片提供同步的位置資訊。在更多隨身產品具備定位能力的發展下，預估會壓縮到既有PND的成長空間。但GPS的應用已跨越單純的導航功能，而與更多便利的位置服務相結合，持續刺激GPS市場的成長。然而，除了要求逼真和正確的圖資、豐富的位置服務資訊外，在系統設計上則尋求更小、更便宜、更低功耗和更容易建置的解決方案。

GPS解決方案的選擇

要為可攜及手持式設備增添定位功能，在系統上必須具備天線、射頻、基頻、韌體等接收及處理GPS訊號的單元。在實現的作法，則可以分為獨立式、主處理器式和軟體式等三種架構。目前軟體式方案因會佔用龐大的主處理器資源，市場接受度不高，因而以獨立式和主處理器式為主要的選項。

獨立式與主處理器式的架構各有優勢。獨立式方案整合了射頻、基頻及韌體等主要的GPS接收器單元，能夠執行大部分的定位追蹤工作，因而能大幅降低主處理器的運算負荷。相較之下，主處理器式方案由系統中的主處理器來負責GPS接收器的管理及導航應用的運算，接收器只負責從天線接收到衛星追蹤的工作，因此能夠節省GPS引擎中部分的基頻尺寸與成本（約10%）。

單考慮接收器核心單元的話，主處理器式方案確實能夠省下部分的尺寸與成本，但若就最終的系統需求及總體擁有成本（TCO）來看，主處理器式方案就不見得優於獨立式的選擇。主處理器式方案往往需要搭配更多的週邊元件，因此反而需要佔用更大的電路板面積，TCO可能也會更高。請參考圖一。在設計上，主處理器與GPS接收器之間必須建立較高速和專屬性的雙向傳輸介面，而且需要開發與既有系統相容的導航應用軟體，並針對射頻單元進行遮蔽處理，因此實現上的困難度相當高，容易拖遲上市的進度。

顯而易見地，獨立式的架構是最容易上手的，它不需佔用太多的主處理器資源，可採較低速且標準化的單向傳輸介面，而且因是硬體式架構，所以處理效能及功耗表現都是最佳的，因此仍是今日GPS終端的最佳選擇。目前獨立式架構又可以分為模組式、晶片組和單晶片設計三種方案，其中單晶片方案受限於基頻與射頻的製程差異性，所以仍需較為繁雜的整合資源。

所謂晶片組的作法是選購獨立的射頻與基頻晶片，並自行搭配週邊元件來實現GPS接收器的設計。此一客製化的作法在大量生產時會有優於模組式的成本表現，但設計者必須付出的代價是自行面對複雜的系統整合、RF/GPS驗證、可靠性測試、功能升級等工作，並需採購昂貴的測試設備。相較之下，GPS模組能夠簡化設計上的負擔，先進的模組甚至在大量生產時仍能保有成本優勢。

微型化模組的優勢與設計趨勢

微型化的GPS模組具有許多明顯的優勢，也是市場的大勢所趨。對系統工程師來說，它是最容易整合的解決方案，只需要簡單的電路配置即可為產品實現GPS定位功能。由於模組方案在出廠前已通過測試，製造商不用再自行添購測試設備，即能保證定位功能的效能表現與良率。此外，在模組中該有的定位韌體功能已經內建，所以設計者不需再為軟、硬體整合的問題而傷腦筋。

由於只要一顆模組就能搞定所需的功能，這讓製造商省下大量分離元件所需的運籌、庫存與供應商管理等成本；而這顆小小的模組可以配置在系統中最恰當的位置，並滿足儘量不改變既有系統設計的需求，將不確定性降到最低，因而能在最短的時間內讓產品順利上市。以u-blox新推出的AMY模組為例，其大小只有8 mm × 6.5 mm × 1.2 mm，比起美國的一角硬幣還小，工程師很容易地就可以在系統中置入這顆模組。請參考圖二。

在微型化的GPS接收器模組中，有一些值得注意的設計趨勢，包括介面支援、低功耗表現、抗干擾、即時時鐘與振盪器的選擇、封裝作法等等。介紹如下：

1. 介面支援

GPS接收器模組會將NMEA定位資訊透過訊號介面傳送給主處理器，一般支援的介面包括SPI、I2C、UART及GPIO，這些介面是手持嵌入式設備常見的介面。但隨著GPS開始進入MID、Netbook等PC式的產品陣營，對於USB 2.0的支援將愈來愈重要。以u-blox新推出的AMY模組為例，除了支援SPI、I2C、UART及GPIO等介面外，也已支援USB 2.0介面。請參考圖三。

2. 低功耗表現

在電池式的手持設備中，低功耗永遠是選用元件的首要考量。由於電壓與動態功耗成正比，因此低電壓供電為降低功耗的主要策略。對於GPS接收器而言，基頻和射頻單元所需的最低運作電壓並不相同，因此分別提供電壓源能有效降低功耗。以AMY模組為例，它讓系統能為基頻及射頻分別提供1.4 V及1.8 V的電壓源，因而能達到僅64 mW的追蹤功耗表現；如果提供1.8 V單一電壓源，模組的功耗為72 mW，3V的功耗則為120 mW。

3. 抗干擾（Jamming Immunity）

由於GPS訊號來自遠端的衛星，所以接收到的訊號相當微弱，很容易就會被其他的雜訊或訊號源給覆蓋掉。這些干擾源可能來自附近的電器，更可能來自設備本身，尤其是當GPS接收器被整合到手機或MID、Netbook當中時，很容易就會受到本身的Wi-Fi、藍芽、行動電視等應用的干擾。因此，GPS接收器模組本身的抗干擾能力會讓收訊的表現產生很大的差異。

以AMY模組來說，它基於u-blox 5的核心技術，除了透過SAW、低通及高通濾波器來去除接收過程中的雜訊外，更採用了一些特別的技術，如專有的數位濾波方式，透過軟體控制的特殊偵測演算法來消除頻帶內的干擾訊號，並能鎖定正確的衛星追蹤訊號。因此，在同樣的干擾環境下，AMY能夠保有更佳的收訊效果。

4. RTC與GPS振盪器

即時時鐘（real time clock, RTC）能在GPS接收器不供電時仍為基頻單元提供計時的功能，這對於暖啟動、熱啟動或省電模式來說是必備的功能。但在一些條件下，RTC的振盪器元件可以省略不用，例如能透過A-GPS提供即時的時間（如AssistNow Online），或是由主處理器透過序列介面來提供時間，也可以由主處理器為GPS模組提供32.768kHz的數位訊號。因此，對於AMY模組來說，RTC為選項的元件。請參考圖三。

此外，模組的射頻單元也需要搭配振盪器元件，而且一般會要求採用高精度的TCXO。一般石英振盪器的成本只有TCXO的40%，因此若能在GPS模組中改採石英振盪器，將能大幅降低模組的成本。AMY模組即成功以石英振盪器取代TCXO，其條件在於核心的u-blox 5具有一百萬個相關器，能大幅提升首次定位（TTFF）的時間，再加上AssistNow的輔助定位能力，讓AMY即使採用低成本的石英振盪器，也能獲得高於TCXO的TTFF效能表現。請參考圖四。

5. 封裝作法

除了上述設計趨勢外，封裝作法會決定整合的難易度及模組組裝的厚度。LGA（Land Grid Array）的封裝作法與BGA相似，但銲球被鍍金腳座（gold-plated pad）取代，因而有助於縮小組裝的厚度，而銲接的方式可延用BGA的作法。請參考圖五。AMY即採LGA50的封裝，其腳座大小只有0.5 x 0.5 mm，可以安裝在二層板上，而且不用進行RF的遮蔽處理。

結論

隨著GPS定位功能快速地拓展到各個應用領域，設計製造者在尋求體積更微小、更容易整合，以及整體成本更低的解決方案。綜上所述，採用先進封裝技術的獨立式微型化GPS接收器模組能夠大幅降低設計的困難度，進而能加速產品上市的時程，因而一定會是主流的選擇方案。

然而，微型化的GPS模組必須克服許多設計挑戰，才能真正滿足市場的需求。例如在手機或MID/Netbook的新興應用領域中，由於存在嚴重的內部RF及高頻噪訊源，對於微弱GPS訊號的接收造成很大的干擾，這就考驗GPS模組製造商的設計能力，也是系統設備商的選擇重點。（本文作者：蔡金源？u-blox產品應用工程師）