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的关系，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讯娱乐系统，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，最基本的配备即模拟AM/FM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，除了音乐广播迈向数字化外，开始加入车载GPS导航及数字电视/DVD/VCD的播放功能，以及移动电话(GSM/GPRS)的语音通话及信息连接功能，另外还有短距离通讯(Dedicated Short Range Communication, DSRC)及高级数据链接控制(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及交通信息数字广播等功能而产生的整合性服务，能够提供实时路况导航、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）及进行紧急状况呼叫等多样性的加值服务。

    这些功能的衍生，也让车载Telematics/资讯娱乐系统的设计变得日益复杂。本文将全面探讨车载Telematics/资讯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

    包括信息、通讯与娱乐等功能的Telematics/资讯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。其基本架构由主控制器/处理器、GPS引擎、影音译码器、无线通讯模块和影音输出装置等单元构成。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外围接口上有其专属的特性。

    采用为车载Telematics量身订制、具定制化弹性的开发平台，有助于加速特定需求产品的上市过程。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，并支持广泛的外围接口，以满足车载收音机、导航和telematics、车内连接功能（如免手提/音乐串流）、影音播放媒体设备、移动电视和后座娱乐等需求。请参考(图1)。



图1 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MCU逐步提升到32位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ARM7及ARM9两种等级，下一代的高端产品将会搭配更强大的ARM11核心，并采用先进的65纳米制程。

    以ST的Nomadik应用处理器为例，可以看出Telematics/资讯娱乐系统车载机的技术需求。为了实现复杂的应用功能，Nomadik选择采用多核心分布式处理的架构，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2)。



图2 分布式处理模式（以Nomadik为例）

    这些加速器包括视频加速器、音频加速器、2D/3D绘图加速器、Java加速器、加速功能硬件(Acceleration Hardware)等。其中视频加速器支持最新的H.264/AVC解码，能提供每秒30帧的VGA输出质量；音频加速器则支持多种音频标准，如MP3、AAC、AAC+、WMA、Midi合成，以及高端多信道音频，如MP3Pro、MWA、DTS-ES、AAC、Dolby Digital-EX等，它还具备一个24位音频数据信道，也能提供噪声抑制、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接口的显示功能。

    弹性的多核心架构让使用者能快速的整合自己专属的算法，并能支持新的音、视频编解码格式。除了以分布式架构来提升影音多媒体的处理效能及降低功耗外，作为应用处理器，Nomadik也提供广泛的连接性，能透过UART连接GPS导航器、GSM/GPRS及蓝牙无线通讯模块；能延伸包括NAND闪存、CF Card、微型硬盘、SD Card、SDRAM等多种存储设备或内存。请参考(图3)。



图3 采用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，它也支持包括CD/DVD/Radio/TV播放器及USB OTG等广泛的外围接口，以延伸Telematics平台的功能。此外，CAN总线是与车载系统中其它单元连接的重要接口，因此Telematics装置往往也需内建CAN 总线控制器；MOST则是应车用影音多媒体而出现的新高速总线规格。

多媒体应用功能

    以应用处理器为核心，Telematics车载机能提供多样化的信息、通讯和娱乐等应用功能。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。

    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。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地利用频谱，提升接收性能，而且易于使用。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讯号转为中频后，再转为数字信号，通过数字信号处理(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的数字化处理，可有效改善接收稳定性及音频质量。请参考(图4)。



图4 数字音频广播硬件架构

    今日的Telematics车载机必须广泛支持各种模拟及数字音频格式，通过专属的技术架构，就能加速功能的实现。以ST的ADR (Advanced Digital Radio)接收器芯片组为例，它能广泛支持目前的模拟（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前端芯片及STA3005 DSP后端芯片共同组成，通过其先进的数字信号处理技术解决干扰问题，让芯片即使在信号微弱的地方或具有强烈多路干扰的环境中，也能提供卓越的声音处理及等化表现，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)管理的支持是今日汽车音频广播必须具备的功能，此接收器也具备RDS译码功能，能满足中端及高端车种对质量、性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屏幕，以用于播放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，即使时速200公里，也能正常运作。

    在技术上，主控制器/处理器通过与DVB-H（或T-DMB）前端模块相连，即能播放移动电视的。此前端具备从调谐器（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、视频译码芯片做进一步运算，最后才将电视节目的影音内容传送到屏幕上播放，如(图5)。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及相关的服务体系上仍处于发展阶段、



图5 移动电视应用中FE与处理器、译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的重要性进一步提升。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车载机与乘客移动装置之间的通信，如手持免提应用；以及车载机与其它车内设备的通信，如通过无线数据传输方式将影音内容传送到喇叭或屏幕。车外通信则是通过2G/2.5G/3G的移动通信技术，结合GPS 定位，提供多样化的信息与安全服务，如导航、安全通报、交通信息、生活信息、防盗追踪等。

    车路及车间通信则是相当崭新的新型应用。车路通信指的是车载机与道路旁的交通标志、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，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，如堵车、事故、危险路段等信息。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，同时不同的车种、品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/处理器必须通过UART等接口来连接各种无线技术模块，除了蓝牙、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。
以天线来说，天线的类型众多，不同的无线技术需要采用不同的天线类型来实现最佳的收发效果。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；移动通信(2G/2.5G/3G)则以PIFA、单极天线(Monopole)和Helix为主。此外，为了提升接收效果，车载天线会采用车体外的接收天线，也可采用天线分集(Antenna Diversity)技术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质量，因此必须妥善规划不同无线模块的空间配置与隔离性。多频的GSM/GPRS/3G在共享射频电路的情况下，滤波器、嵌入式L，C等射频被动组件朝切换形式发展，放大器方面需支持宽带及高线性度设计，此外还有很多EMI/EMC问题。

     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。常见的做法是将蓝牙、移动通信、移动电视、GPS等无线技术的基带功能整合在单独的模块中，此做法能提供较高的设计弹性，主控制器/处理器只需与单独的无线模块连接，即能提供需要的无线功能。另一种做法则是将基带功能整合到应用处理器当中，以降低组件成本及系统尺寸，这种做法在寸土寸金的手持设备中具有迫切性。

软件架构规划

    软件功能也是决定Telematics设备好坏的一大关键。首先是操作系统的选择，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，一般的操作系统难以满足车载系统中震动、长使用寿命等条件的要求，因此Telematics软件平台往往会选用专属性的RTOS嵌入式操作系统，例如Wind River的VxWorks、QNX Software的QNX及Acclerated Technolgy的Nucleus Plus。

     在操作系统之上则是中间件（Middleware）和应用软件，好的中间件能加速对特定功能的开发，也能扩展应用功能，例如加速DVB-H移动电视的电子选单功能。Telematics的主要应用软件则包括A-GPS、方位推估（Dead Reckoning, DR）、LBS位置服务、远程诊断等应用功能。

    为了加速设计开发的流程，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接口架构。这是一种基于抽象硬件接口的做法，在此架构中同时提供上层和下层的观点，上层的观点是应用程序撰写者提供一套针对特定操作系统的统一软件接口，下层的观点则是建立对底层硬件设备的抽象化沟通接口。

    Telematics系统的底层硬件设备包括多媒体加速器/音视频编解码器，UART、USB及蓝牙等通信接口，以及LCD控制器、图像传感器或照相机等一般性应用外围的标准硬件接口；在中间的部分为涵盖处理核心、设备驱动程序和档案系统的操作系统，以及多媒体架构、语音及网络的通信架构、Java和安全性架构等等；上层则是各种应用功能，例如语音、游戏、短信、浏览、PIM等。这三层之间通过低端API及高端API进行沟通，请参考(图6)。



图6 开放性软件架构示意图

结论

    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，需要投入相当大的力量来开发合适的功能，如位置服务（LBS）、电子收费（ETC）、行车安全与行车记录等等。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，因此标准化也是Telematics服务实现的关键。

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