汽车电子嵌入式系统设计（4）Telematics资通娱乐系统设计规划

　　Telematics朝整合发展变化多
在汽车电子的系统分类中，车体、传动和安全等三大系统单元与行车操控有直接关系，它们决定了车子的行驶性能与安全性；除了这三大基本功能，第四大系统单元则是定位变化最大的车载资通娱乐系统（Telematics），此单元虽然并不直接影响行车驾驶的安全性，但却与行车的舒适性及便利性息息相关。

在这个单元中，最基本的配备即是类比AM / FM音频广播及音乐CD的播放设备，它们兼具娱乐及交通状况的掌握功能。随着技术的演进，除了音频广播迈向数字化外，开始加入车载GPS导航及数字电视 / DVD / VCD的播放功能，以及行动电话（GSM / GPRS）的语音通话及资讯连接功能，另外还有短距离通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）及高阶数据连结控制（High level Datalink Control，HDLC）等功能。

这些原本各自独立的功能，在进入车载的领域后，不断地出现新的整合性应用，例如Telematics系统，即是结合GPS、GSM / GPRS、DSRC及交通资讯数字广播等功能而产生的整合性服务，能够提供即时路况导航、指引最佳的行车路线（避开拥塞路段）、提供汽车状况诊断、失车寻回、预约停车位、电子收费（Electronics Toll Collection，ETC）及进行紧急状况唿叫等多样性的加值服务。

由于这些功能的衍生，也让车载Telematics / 资通娱乐系统（国内又称车载机）的设计变得日益复杂。本专栏第三集中已介绍了具关键地位的车载GPS导航系统，本文将更全面的探讨车载Telematics资通娱乐系统的应用趋势、组成架构及设计要领。
Telematics平台与系统规划
包括资讯、通信与娱乐等功能的Telematics / 资通娱乐系统车载机看似相当复杂，其实在软、硬件系统架构上与今日盛行的嵌入式手持设备并没有太大的差异。其基本架构上由主控制器 / 处理器、GPS引擎、影音解码器、无线通信模组和影音输出装置等单元所构成。但由于应用领域不同，车载机在软件层面、系统可靠性及延伸性週边介面上有其专属的特性。

采用为车载Telematics量身订制、具客制化弹性的开发平台，有助于加速特定需求产品的上市时程。以NaviFlex数字整合平台为例，它的主要硬件架构包括多媒体应用处理器和GPS接收器，并支援广泛的週边介面，以满足车载收音机、导航和telematics、车内连结功能（如免手持 / 音频串流）、影音播放媒体设备、移动电视和后座娱乐等需求。请参考(图一)。
　

图一　Telematics平台架构示意图（以NaviFlex Pro为例）
　

■主控制器 / 处理器
Telematics车载机的主控制器 / 处理器为运算及控制的核心，随着工作负载的不断增加，此类主控制器 / 处理器的需求规格不断提升，从16位元MCU逐步提升到32位元MCU，甚至采用高整合度的SoC应用处理器；在处理器核心方面，大致上又可分为采用ARM7及ARM9两种等级，下一代的高阶产品将会搭配更强大的ARM11核心，并採用先进的65奈米制程。

以ST的Nomadik应用处理器为例，可以看出Telematics / 资通娱乐系统车载机的技术需求。为了因应复杂的应用功能，Nomadik选择采用多核心分散式处理的架构，也就是以ARM为控制核心，并搭配多颗硬件或DSP加速器，以达成最佳化的处理效能。请参考(图二)。
　

图二　分散式处理模式（以Nomadik为例）
　

这些加速器包括视频加速器、音讯加速器、2D / 3D绘图加速器、Java加速器、加速功能硬件（Acceleration hardware）等。其中视讯加速器支援最新的H.264 / AVC解码，能提供每秒30个讯框的VGA输出品质；音频加速器则支援多种音讯标准，如MP3、AAC、AAC+、WMA、Midi合成，以及高阶多通道音讯，如MP3Pro、MWA、DTS-ES、AAC、Dolby Digital-EX等，它还具备一个24位元音频资料通道，也能提供噪音抑制、回声消除、立体声强化与环绕音效等功能。此外，强化的3D绘图加速器，可用于地图绘制和人机介面的显示功能。

弹性的多核心架构让使用者能快速的整合自己专属的演算法，并能支援新的音、视频编解码格式。除了以分散式架构来提升影音多媒体的处理效能及降低功耗外，身为应用处理器，Nomadik也提供广泛的连结性，能透过UART连结GPS导航器、GSM / GPRS及蓝芽无线通讯模组；能延伸包括NAND快闪存储器、CF Card、微型硬碟、SD Card、SDRAM等多种储存设备或存储器。请参考(图三)。
　

图三　採多核心架构并具广泛功能延伸性的应用处理器架构（以Nomadik STn8810为例）
　

当然，它也支援包括CD / DVD / Radio / TV播放器及USB OTG等广泛的周边介面，以延伸Telematics平台的功能。此外，CAN汇流排是与车载系统中其他单元连结的重要介面，因此Telematics装置往往也需内建CAN Bus控制器；MOST则是因应车用影音多媒体而出现的新高速汇流排规格。

■多媒体应用功能
以应用处理器为核心，Telematics车载机就能提供多样化的资讯、通信和娱乐等应用功能。先来谈谈娱乐功能的实现，包括模拟及数字AM / FM音频广播、卫星广播、数字电视广播、CD / DVD播放等等。

在车用音频广播方面，目前全球存在多种模拟与数字的规格，模拟方面包括既有的AM及FM频道，以及美国的天气频道（weather band）。模拟音频广播仍是今日车载广播的主流应用，核心架构包括AM / FM接收器及播放机制、驱动多个喇叭的音频功率放大器，其中接收器又包括RF的解调器（tuner）及信号处理的音频处理器。

数字音频广播又可分为地面广播，包括DAB / DMB、Digital Radio Mondiale（DRM）、HD Radio，以及卫星广播，包括XM Radio、Sirius和WorldSpace。其中数字音频广播让基地台能更有效的利用频谱、接收性能也能提升，也更容易使用，而且除了声音的传送外，它也能同时传送影像与数据服务，因此已是汽车娱乐的重要应用趋势。

在技术上，数字音频广播将高频模拟信号转为中频后，再转为数字信号，透过数字信号处理（DSP）技术，包括声调（tone）、音量、渐大渐小和平衡，以及声音的参数性等化等音频效果都能进行数字化的处理，可有效改善接收稳定性及音频品质。请参考(图四)。
　

图四　数字音频广播硬件架构
　

今日的Telematics车载机必须广泛支援各种模拟及数字音频格式，透过专属的技术架构，就能加速功能的实现。以ST的ADR (Advanced Digital Radio)接收器晶片组为例，它能广泛支援目前的类比（AM / FM和美国天气频道）及数字音频广播（DAB、DRM、HD Radio）服务。

ADR由TDA7528 RF前端晶片及STA3005 DSP后端晶片所共同组成，透过其先进的数字信号处理技术来解决干扰问题，让晶片即使在信号微弱的地方或具有强烈多径干扰的环境中，也能提供卓越的声音处理及等化表现，而且能分担音频广播主处理器的工作负担。除了音频信号处理功能外，由于对RDS（Radio Data System）管理的支援是今日汽车音讯广播必须具备的功能，此接收器也具备RDS解码功能，能满足中阶及高阶车种对品质、效能及系统成本最佳化的需求。

在视频方面，目前有愈来愈多的汽车内置显示萤幕，以用来播放DVD、VCD或DVB-T数字广播电视。此外，为降低功耗而开发的移动电视（mobile TV）规格也极适用于车载广播应用，目前全球发展中的主要规格为DVB-H及T-DMB等，以德国在2006年6月率先建置的车载移动电视系统为例，它采用T-DMB规格，除了功耗极低外，即使在时速200公里的速度下，也能正常的运作。

在技术面上，主控制器 / 处理器透过与DVB-H（或T-DMB）前端模组相连，即能提供移动电视的播放。此一前端具备从谐调器（Tuner）到解调器（Demodulator）的完整功能，直接将处理好的IP datagram和TS packet分流送到处理器或音、视频解码晶片做进一步运算，最后才将电视节目的影音内容传送到萤幕上播放，如(图五)。目前移动电视的硬件技术在尺寸、功耗上已发展的相当成熟，但在使用频谱的规范上及相关的服务体系上仍处于发展阶段。
　

图五　移动电视应用中FE与处理器、解码器的运作流程示意图

通信应用与系统规划挑战
在Telematics的定位中，无线通信功能是不可或缺的一环；各种无线通信功能的应用，也让Telematics的重要性更为提升。虽然使用相同的技术，车载通信与个人、家庭中的应用方式差异甚大，大致可分为车内、车外、车路与车间等四种应用类型。

■车内蓝牙、车外3G + GPS、车路及车间DSRC
车内通信所使用的主要技术为蓝牙（Bluetooth）短距离无线技术，在应用上又可分为Telematics车载机与乘客的行动装置之间的通信，如手持免持应用；以及车载机与其他车内设备的通信，如透过无线数据传输方式将影音内容传送到喇叭或萤幕。车外通信则是透过2G / 2.5G / 3G的移动通讯技术，结合GPS 定位，提供多样化的资讯与安全服务，如导航、安全通报、交通资讯、生活资讯、防盗追踪等。

车路及车间通信则是相当崭新的新型态应用。车路通信指的是车载机与道路旁的交通号志、建筑物、信号柱等设施所进行的通信，这类应用所使用的技术为DSRC，最常用于电子收费应用，如高速公路电子收费、停车场电子收费、企业门禁管理等。车间通信也是利用DSRC技术，让车辆与车辆在一定距离内自动连通，并交换邻近的交通状况，如塞车、事故、危险路段等资讯。此应用的立意极佳，而且不需经由特定的服务业者来主导，发展重点在于要有相当数量的车子具有此种通信功能，而且不同的车种、厂牌之间要能互相通信，才能发挥效用。

在系统设计上，Telematics车载机的主控制器 / 处理器必须透过UART等介面来连结各种无线技术模组，除了蓝芽、2G / 2.5G / 3G、DSRC外，还包括GPS、AM / FM、DVB-T / DVB-H / T-DMB等单向接收的无线技术。这些技术都具有天线、射频和基频三大基本组成单元，如何在一个车载机设备中整合这些单元，则是Telematics系统设计上的一大挑战。

■天线、射频、基频设计
以天线来说，其类型众多，不同无线技术需要采用不同的天线类型来达成最佳收发效益。如上文介绍的GPS天线，即采用片状天线（Patch）、螺旋式天线（Helix / Spiral）和平面倒F型天线(PIFA)等，其中又以Patch及Helix使用最多；行动通讯（2G / 2.5G / 3G）则以PIFA、单极天线（Monopole）和Helix为主。为了提升接收效益，车载天线也会采车体外的接收天线，也可采用天线分集（Antenna Diversity）技术来选择接收强度较强的信号。


在射频段则面临隔离规划的问题。这些无线技术多半采用不同的频段，而这些接收下来（或发射出去）的高频电波很容易彼此干扰而降低信号品质，因此必须妥善规划不同无线模组的空间配置与隔离性。多频的GSM / GPRS / 3G在共用射频电路的情况下，在滤波器、嵌入式L， C等射频被动元件得朝切换型式发展，放大器方面也得支援宽频及高线性度设计，此外还有很多EMI / EMC的问题得解决。

在基频段，由于已是数字化的信号，因此进行整合的弹性最高。常见的作法是将蓝芽、移动通信、移动电视、GPS等无线技术的基频功能整合在个别的模组中，此作法能提供较高的设计弹性，主控制器 / 处理器只需与个别的无线模组连结，即能提供需要的无线功能。另一种作法则是将基频功能整合到应用处理器当中，以降低元件成本及系统尺寸，这种作法在寸土寸金的手持设备中比较具有迫切性。

软件架构规划
软件功能也是决定Telematics设备好坏的一大关键。首先是作业系统的选择，由于是车载嵌入式系统，车厂对内装设备的可靠性要求远高于3C设备，一般的作业系统难以满足车载系统中震动、使用寿命长的条件，因此Telematics软体平台往往会选用专属性的RTOS嵌入式作业系统，例如Wind River的VxWorks、QNX Software的QNX及Acclerated Technolgy的Nucleus Plus。

在作业系统之上则是中介软年（Middleware）和应用软件，好的中介软件能加速对特定功能的开发时程，也能扩展应用上的功能，例如加速DVB-H移动电视的电子选单功能建置。Telematics的重要应用软件则包括A-GPS、方位推估（Dead Reckoning，DR）、LBS位置服务、远端诊断等加值应用功能。

为了加速设计开发的时程，嵌入式软件系统也已逐渐从封闭性的专属系统走向开放性的介面架构。这是一种基于抽象硬件介面（hardware abstraction）的作法，在此架构中同时提供上层和下层的观点，上层的观点为应用程式撰写者提供一套针对特定作业系统的统一软件介面，下层的观点则建立对底层硬件设备的抽象化沟通介面。

Telematics系统的底层硬件设备包括多媒体加速器／影音编解码器（Codec），UART、USB及蓝芽等通信介面，以及LCD控制器、影像感测器或照相机等一般性应用週边的标准硬件介面；在中间的部分为涵盖处理核心、设备驱动程式和档案系统的作业系统功能，以及多媒体架构、语音及网路的通信架构、Java和安全性架构等等；上层的部分则是各种应用功能，例如语音、游戏、短信、浏览、PIM等等功能。这三层之间则透过低阶API及高阶API来进行沟通，请参考（图六）。
　

图六　开放性软件架构示意图

结论
汽车中导入数字电子技术的趋势相当明显，然而台湾欠缺国际性的大车厂，组配件厂商也以中小企业居多，因此较难打入原厂内装（OE）的汽车电子市场，尤其是传动及安全等两大系统。不过，Telematics / 车载资通娱乐系统则是极适合台湾厂商切入的一个领域，因为这部分的应用功能来自我们所专擅的资讯、通信、消费性电子等3C技术，而且具有庞大的后装市场机会。

目前，许多PC及消费性电子厂商皆有心切入这个市场。虽然在硬件架构上的差异性不大，但在应用功能上却有很多的变化，需要投入相当大的心力来开发合适的功能，如位置服务（LBS）、电子收费（ETC）、行车保全与行车纪录等等。这些功能的实现往往涉及整个汽车产业，甚至涵盖广播、通信、金融、交通主管机关等多个领域，因此标准化也将是Telematics服务实现的关键。