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　　可携式导航产品成长快速

　　GPS产业近年来呈现蓬勃发展态势，其中尤以可携式导航产品（Portable Navigation Device，PND）的成长速度最为惊人。

　　随着车用导航需求持续增加、厂商推出低价PND产品，以及营运商推出更多的POI（Point-of-Interest）、即时交通资讯及天气资讯等加值服务，再再都刺激了消费者的购买意愿。依据资策会MIC日前发表的最新预测报告指出，2007年全球PND市场的规模可望突破2,600万台，较2006年成长43％，其中Pure PND市场规模将达2,320万台。

　　PND为附加式的车用导航设备，相较于由车内装的嵌入式GPS系统来说，价格上便宜了许多。嵌入式GPS系统通常与CD/DVD等车用资讯娱乐（Infotainment）系统整合，此类系统的价格极高，可达美金1,000元。售后市场的PND价格则持续下降，大致可分为三种等级，即PND系统模组价格约199美元的入门款产品、约299美元的中阶产品，以及可达399美元的高阶产品。

　　今日的中、高阶PND，为了做出市场区隔，纷纷导入更多的加值应用功能，从基本的定位系统 
、到语音导航等、触控式萤幕、蓝芽模组等，到结合PDA及智慧型手机，甚至能提供流行的iPod/MP3音乐功能，或多媒体视讯功能。为了要让PND具有这些加值能力，制造商必须在其软、硬体技术上进行升级。既然强调市场区隔，他们就不会喜欢採用＂Me too＂的Turnkey解决方案；但又不能将设计时程拖得太长，因此他们会寻求整合式的平台及参考设计方案。

　　PND平台与关键元件

　　在PND产品的系统架构中，主要的单元包括GPS接收器、CPU/GPU、记忆体、显示器、电源管理（PMIC）等，其他的附加功能则可以包括Wi-Fi、蓝芽（BT）及UWB等无线功能，以及AM/FM收音机、行动电视、视讯输入（Video in）等****影音功能，也可导入硬碟（HDD）、触控面板及外部喇叭输出等功能。请参考（图一）的平台架构说明。以下将介绍GPS接收器和CPU/GPU两大关键元件。　

图一　PND平台架构示意图　

　　1. GPS接收器

　　GPS接收器包括射频（RF）与基频（BB）两大部分，在建置上可採用分离式的晶片组作法，以获得较高的设计弹性，不过，这对系统工程师来说挑战性高，必须有能力调整系统的效能；也可採用整合式的SoC或SiP晶片，以降低採购成本及设计难度，此外，整合式晶片也具有尺寸小的优势。

　　在运作架构上，RF前端的功能在于将从GPS天线接收到的高频卫星讯号转换为基频可读取的中、低频讯号，基频元件中的相关器（correlator）则会移动频率及电码（C/N code）来比对找出所收到的卫星编号，再依据完整接收的万年历（Almanac）和广播星历（Broadcast Ephemeris）等资料来计算出接收器的所在位置。

　　今日的接收器已内建愈来愈多的相关器电路（数万个），以加速找出卫星的编号。这些相关器可同时用来比对多颗卫星的电码，一颗卫星的比对称为一个通道（channel），更多的通道意味着相关性比对的速度可以加快。目前一般接收器已可提供12个通道，高阶产品更可提供16个至32个通道。

　　对于PND设备来说，至少必须得知四颗卫星的位置，才能计算出接收器的位置。获得此一位置的时间称为第一次定位时间（Time to first fix，TTFF），它除了与相关器技术有关外，另一个关键则是要看此PND的启动条件及定位模式。在启动条件上，可以分为三种：一是接收器本身完全无有效卫星资料的冷开机（Cold Start）；一是接收器具有有效的万年历资料、时间和起始位置，称为暖启动（Warm Start）；如果再具有更准确的广播星历资料，则称为热启动（Hot Start）。

　　冷启动与热启动的定位时间相差甚大，前者必须完整接收来自卫星一週期的卫星资料，才能开始计算位置，所需时间至少需要18-36秒。接收过程中如果出现了任何干扰而导致讯号中断，那就得重新再接收一次。相较之下，如果在PND的记忆体中已有完整且有效的广播星历资料，只要确认目前在头顶上的四颗卫星，即可立即进行定位计算，定位动作甚至可在1秒之内完成。

　　一般GPS从卫星直接下载星历资料只有4小时的有效时间，当GPS设备关机超过4小时以上时就得重新下载星历资料；Global Locate 公司则发展出LTO（Long-Term Orbit）技术，将星历资料的有效时间延长到2-10天，而此资料为个别卫星的准确广播星历资料，因此此技术又称为「扩充式广播星历（extended ephemeris）」技术。当用户透过网路下载后，在2～10天内可以得到1～10秒的TTFF定位时间。这正是辅助式GPS（Assisted GPS，A-GPS）的优势所在。
　在Global Locate A-GPS的架构中，会由GPS全球参考网路（Worldwide Reference Network，WWRN）所建置的基地站来监控卫星的移动，并持续将观测到的资料传送给网路中的中央伺服器，透过此伺服器来计算预测卫星未来的移动位置等资料；这些辅助资料会再传送给通讯网路中的A-GPS伺服器，当具A-GPS功能的终端器寻求辅助资料时，就能透过GSM、GPRS、CDMA或UMTS等行动通讯网路来即时传送，称为连线式的A-GPS。另一种方式是让用户以离线的方式预先下载这些辅助资料，该用户可在他方便的时间透过网际网路或行动网路来进行下载。请参考（图二）。

图二　Global Locate发展的LTO技术示意图　

　　2. GPU/CPU

　　当GPS接收器计算出用户的位置座标，会将结果送到CPU处，再与地图资料整合，透过LCD萤幕显示出地理上的位置。今日的PND为达到更高阶的绘图显示及影音处理功能，除了採用CPU（通常为ARM）外，也会搭配一颗GPU，此颗GPU的功能也会是PND加值应用功能的 
关键所在。

　　今日的PND要求有更高的解析度（WVGA、WSVGA）、3D用户介面、3D建筑物与地标／地形、行动电视、LBS的3D应用（如搜寻、游戏、群组软体、採购等），这些都得靠GPU来完成。其中地图的绘制处理为基本的需求，目前为止PND仍以2D地图的显示为主，虽然已有所谓的3D地图出现，但仍只是简化的3D地形模拟，逼真的3D地图因图资制作的工程耗大，预估还需一段时间才会出现在市场上。除了地图显示外，GPU也被用在使用介面的2D/3D处理以及影音处理之上。

　　以下将以NVidia的MTM模组为例，来看看今日高阶PND的GPU需要那些支援能力，请参考（图三）。MTM为整合GPU（SC15）、CPU（ARM11）、DRAM、作业系统和驱动程式的模组平台，具有高速、低功耗的3D绘图核心，并支援高效能的OpenGL ES 1.0/1.1规格。它对LCD显示器的支援可达XGA画质，色深可达1680万画素。

图三　MTM导航模组支援功能　

　　在视讯方面，主流的标准包括H.263、MPEG4及H.264等，GPU最好能广泛支援这些规格，而且要能做编码与解码的双向能力。以MTM为例，它能为这些规格提供30fps的标准电视（D1）视讯品质，另外也支援WMV及Real的解码功能。

　　音讯功能则是PND附加功能的一项重点，因为PND既然是可携式装置，就很适合同时兼具音乐播放的功能。目前市场上的音讯规格众多，其中对MP3及AAC的编码、解码支援是最基本的，差异在于取样速率的高低。其他的几个常见规格还包括AAC+/AAC-LC、AMR-NB/AMR-WB，以及WMA、Real及MIDI等。

　　此外，GPU的週边介面支援能力，决定了PND的延伸应用能力。以MTM为例，它支援的週边包括WiFi802.11b/g、BluetoothV2.0 EDR、DVB-H解调器、Micro-slot插槽、视讯输入、USB 2.0、FM立体声、麦克风等，可使用触控面板，也可配置硬碟。

　　PND未来设计挑战

　　降低成本为所有消费性产品的不归路，PND自然也不能例外。对于PND的众多元件来说，因降价压力而受到冲击的，应该是GPS接收器，这除了因为有愈来愈多的新竞争者争相投入这块诱人的市场，对主导性的厂商造成威胁外，更大的挑战来自于技术的变革，因为PND制造商有意导入软体式的GPS接收器方案，以进一步降低元件的成本。不仅如此，软体式方案还能减少尺寸、提升设计弹性，让产品能随着新功能、新规格的演进而进行升级。

　　1. 软体式GPS

　　所谓软体式GPS是运用GPU或手机的基频/应用处理器和GPS软体来取代今日的GPS基频功能，这对于PND来说可以省下约5美元的系统成本。软体式GPS方案其实并非崭新的技术，早在两三年前即已有厂商推出此类方案，但由于效能不佳、整合不易，而且会佔用极大的处理器资源，加上GPS产品才刚起步，价格仍不是市场上最主要的考量，因此PND厂商一直偏好採用硬体式GPS方案。

　　不过，随着PND市场趋于成熟，价格已成为产品竞争力的重要因素，因此整合度愈高的系统架构，也就愈受到制造商的欢迎。当大家的关注集中到软体式GPS的解决方案，一些过去为人垢病的缺点也可望加快改善，例如提升软体式GPS的运作效能、降低处理器工作需求的MIPS，当然，採用更强大的处理器也有助于满足软体式GPS的运算需求，不过，这也可能带来更大的功耗，因而缩短电池的使用寿命。虽然软体式GPS的技术还未成熟，预估在2008年就会看到一些设备厂商推出此架构的产品。

　　在一个日趋成熟的市场，除了价格因素外，另一个发展趋势则是关键元件走向更高的整合度，以满足制造商对设计单纯化的需求。目前的GPS市场正进入这样的一个阶段，GPU整合GPS基频的软体式方案是其中的一个发展方向，另一个方向则是GPU与CPU的整合，发展成双核心（或多核心）的平行运算系统单晶片，例如NVidia的下一代手持式GPU，即准备将ARM核心整合在一起。不过，这种整合晶片的开发并不容易，为了加速开发，抢佔更佳的市场位置，在这一波的市场上我们已看到GPS、GPU和CPU等厂商互相之间的整併风潮。

2. MEMS元件

　　除了在既有的电子系统架构下进行整合或强化功能外，微机电（MEMS）元件的导入也可望为PND注入创新的使用样貌。MEMS技术在电子产品中的地位愈来愈重要，此类精密元件在资讯、通讯和消费性电子等大众市场正快速的成长。在多样化的MEMS元件类型中，又以运动感测器最受注目，其中三轴加速度计（Tri-axis Accelerometer）正是让Wii游戏机异军突起的背后最大功臣，也非常适合被用在PND等手持设备当中。

　　对于PND的导航功能来说，MEMS元件的导入能够实现所谓方位推估（Dead Reckoning，DR）的辅助定位功能。结合三轴加速度计和陀螺仪（Gyroscope）或磁罗盘等MEMS元件，就能够在GPS收讯不良时进行替代性的方位推估工作。也就是透过三轴加速度计所提供的加速度及运动方向变化，以及陀螺仪的转向测量，来计算出车辆位移上的改变，并继续在地图上显示导航的功能。在短距离内，DR系统所提供的资料比GPS的讯号来得准确，不过，当时间增加时，误差累积效应会愈来愈大，导航的精确度就会大幅下降。

图四　VTI 三轴加速度计的角度量测显示介面　

　　MEMS与GPS可以是分开使用的替代性功能，但也能是共同操作的互补性功能。例如因DR系统在短距离内的准确度 
高，因此可做为短距离内的汽车定位误差修正辅助；相似地，在长距离时GPS的准确度高，因此也可用GPS的量测来校正MEMS。不仅如此，目前GPS导航时的一大限制是无法分辨车子是行驶在高架桥上或桥下，若使用三轴加速度计，即可透过倾角的改变来判断车子是爬坡向上或向下；此外，也可用压力感测器来量测高度上的变化。

　　三轴加速度还有其他的有趣应用，例如可用它来作为状态识别装置，通过倾斜角度来向上或向下滚动手机、PDA及3D游乐器的萤幕，或以摇动的方式来关闭这些设备。这种通过特定动作来下达控制指令的用途，除了提供了键盘输入以外的便利途径，也为强调趣味变化与加值功能的消费性手持设备增添了许多想像空间。另一个对PND来说很实用的功能，则是可利用三轴加速度计来进行电源管理，当PND在一段时间内都处于静止不动的情况下，就让GPS功能进入待机状态，以节省用电。

　　结论

　　综上所述，PND已是今日市场上的一项主流产品，其成长后仍相当值得期待。不过，在基本型产品功能日趋成熟后，PND制造商已面临价格下压与加值功能升级的两大设计压力，因而积极寻求开发整合容易、功能完整且具前瞻性的低成本、低功耗及小尺寸解决方案。

　　将所有问题都解决的系统单晶片会是很好的选择，但在GPS的市场仍看不到这样的解决方案，因而需要慎选上游解决方案的提供商。这些供应商必须先进行资源整合的工作，例如GPU厂商整合地图资料、CPU、作业系统和ISV等厂商，建立起导航应用的生态体系，以单一窗口为PND厂商提供完整的技术需求。请参考（图五）。

图五　由GPU厂商进行导航技术生态体系整合　

　　换一个角度来看，掌握丰富元件资源的电子零件代理商，若能进行妥切的整合，即能以平台架构方式满足客户多方面需求，进而大幅缩短设计时程。