便攜式導(dǎo)航設(shè)備中GPS設(shè)計問題分析

眾所周知，如果設(shè)計工程師缺乏對基本硬件/射頻設(shè)計和電磁干擾(EMI)問題的理解，那么其設(shè)計出的便攜式導(dǎo)航設(shè)備(PND)、個人數(shù)字助理(PDA)、功能手機(jī)和智能手機(jī)設(shè)備中的GPS性能將將大打折扣。這其中的根本原因，就在于進(jìn)行了不良的天線設(shè)計/選擇，或者是無法處理內(nèi)部EMI干擾。

在開放的天空環(huán)境中，GPS信號功率電平標(biāo)稱值是-125dBm，如果打個比方的話，這就相當(dāng)于人在芬蘭去眺望一盞在日本點亮的60W燈泡(如果能看得到的話)。GPS信號電平比1W(+30dBm)的GSM發(fā)射器還要低160dB左右，因此我們常說它是一個非常微弱的信號，幾乎不允許接收器設(shè)計出現(xiàn)任何差錯。

-125dBm信號電平基本上對應(yīng)于50dBHz的SNR(信噪比或C/No)。不良的天線設(shè)計和EMI問題能使SNR減少幅度達(dá)15-20dB，這意味最大的SNR只有30-35dBHz。如此低的SNR對性能有很大的影響，因為對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的解碼將變得異常困難。用戶對此的感受是啟動時間(TTFF)很長，總體性能極差，如位置跳動或速度漂移，更壞的情況是根本無法定位。

天線設(shè)計

選取便攜式設(shè)備中GPS天線的準(zhǔn)則之一是尺寸，對于尺寸受限的功能手機(jī)和智能手機(jī)而言更是如此。大多數(shù)常用的天線是GPS片狀(patch)天線，因為它們相對容易調(diào)諧，性能較好。

GPS L1信號是一種RHCP極化信號，頻率為1.575GHz，波長為19cm。這樣的波長顯然需要很大的天線，除非在電氣方面做得更短。這種天線一般用?r>1的陶瓷材料制作。?r越高，器件就可以做得越小。然而提高?r會影響天線的輻射效率，當(dāng)在小塊接地面(ground plane)上安裝小型片狀器件時影響更大。如此小的天線將變成線性極化，而不是右旋圓形極化(RHCP)，因此會造成3dB的極化損失。有關(guān)片狀天線的經(jīng)驗是越大越好，不僅是指器件本身，還有器件下面的接地面。沒有比在70x70mm接地面上安裝25x25mm的片狀器件更好的了，但這顯然不是便攜式設(shè)備的可行選擇，因此必須選擇更小的天線。

在10x10mm接地面上安裝10x10mm片狀器件就是一種不良的天線選擇，這種天線雖然小巧便利，但由于上述原因，總損耗將達(dá)10dB左右，從而使最大SNR只有40dBHz，這還不算EMI干擾的情況。

Fastrax公司可以為用戶提供許多種天線設(shè)計，公司甚至為包括環(huán)形天線到Helical天線在內(nèi)的各種項目設(shè)計過定制天線。

EMI問題

從GPS角度看，EMI就是GPS頻率上有害的寬頻噪聲。便攜式設(shè)備中經(jīng)常會發(fā)生EMI。有趣的是，EMI噪聲雖然通常都會低于任意的EMC要求指標(biāo)，但卻足夠干擾到GPS信號。

重要的是，EMI會增加GPS頻率上的噪聲電平，最終導(dǎo)致SNR降低。在GPS接收端根本無法減少EMI，必須在源頭對EMI進(jìn)行抑制。EMI進(jìn)入接收器有兩種方式，一種是傳導(dǎo)(通過導(dǎo)線)，一種是輻射(通過天線)。輻射的EMI通常更糟。

便攜式設(shè)備中的輻射EMI一般在10-20dB之內(nèi)，它將降低同樣數(shù)值的SNR，因此盡量減小EMI以保持良好的GPS性能至關(guān)重要。

圖1是典型的EMI案例(臺灣PDA)。在不加任何修改的情況下用戶只能獲得30dBHz的SNR。Fastrax公司可以幫助設(shè)計師定位產(chǎn)生EMI的源頭，并將它降低到接近零。

基本上，F(xiàn)astrax測試過的具有高速CPU和高速存儲器總線的所有便攜式設(shè)備都存在EMI問題。但是，如果硬件工程師能夠牢記以下四點，就可以避免最為典型的系統(tǒng)設(shè)計錯誤，從而對EMI進(jìn)行有效抑制，這四點就是：

使用統(tǒng)一的[d1]接地面

使用射頻屏蔽罩

盡量減少導(dǎo)線數(shù)量

避免GPS頻率點的時鐘諧波

我們的目標(biāo)是對PCB和器件本身使用法拉弟盒，從而將噪聲保持在里面。

在設(shè)計中，最常見的錯誤是硬件設(shè)計師在PCB上分割接地面，一個模擬地，一個數(shù)字地，一個射頻地等等。這是由于許多電子書藉如今仍在鼓勵使用獨立的接地面!這完全是錯誤的。再也沒有比所有電子器件共用一個接地面更好的了。如果非要分割的話，根據(jù)射頻對偶定理，接地面的開路處將作為小型天線輻射出噪聲。

第二大錯誤是電子器件沒有屏蔽，這意味著器件本身將輻射噪聲。將所有電子器件置于射頻屏蔽罩內(nèi)可以很容易地解決這個問題。

EMI的另外一個潛在源是導(dǎo)線，例如揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的導(dǎo)線，它們同樣會像天線一樣輻射EMI。一個很好的建議，是在這些導(dǎo)線上增加18pF的去耦電容。

最后要避免時鐘諧波落進(jìn)GPS頻段。例如時鐘頻率是7.5MHz，那么它的210次諧波將正好是GPS的頻率。

從解決EMI問題的角度來看，遵循這些簡單的EMI指導(dǎo)建議可以讓用戶實現(xiàn)更優(yōu)秀的硬件設(shè)計。

F1：

F2：避免分割接地面

F3 ：使用射頻屏蔽罩[d2]