復(fù)雜射頻干擾環(huán)境下的高靈敏度GPS系統(tǒng)設(shè)計

1引言

GPS功能已成為智能手機的標(biāo)準(zhǔn)配置。隨著便攜式設(shè)備市場的爆發(fā)性成長，手機環(huán)境下的射頻干擾，已經(jīng)成為GPS系統(tǒng)設(shè)計者最為頭疼的問題之一。在如此嘈雜的射頻干擾環(huán)境下設(shè)計高靈敏度的GPS系統(tǒng)，已經(jīng)是手機設(shè)計中最大的挑戰(zhàn)。

本文將對采用前置低噪聲放大器的GPS系統(tǒng)進行研究，通過增加前置低噪聲放大器的方法，GPS系統(tǒng)的靈敏度和首次定位時間將得到明顯提高，且抗干擾能力更強。

2 GPS系統(tǒng)簡介

目前GPS功能已成為智能手機中的標(biāo)準(zhǔn)配置。導(dǎo)航服務(wù)是GPS的一大應(yīng)用，在手機中集成GPS，可以非常輕松地實現(xiàn)車輛的自主導(dǎo)航，用戶將不再因為迷路耽誤自己的行程，便捷而實用。越來越多帶GPS功能的手機反過來將會推動位置服務(wù)(LBS)的發(fā)展。LBS應(yīng)用通過手機的位置信息可以滋生出很多增值服務(wù)，比如幫助用戶找到附近的飯店、銀行、交通服務(wù)設(shè)施等，這種服務(wù)將是未來信息領(lǐng)域一個主要的新興市場。在可預(yù)見的未來，GPS功能將會隨著手機功能的拓展而衍生出越來越多的應(yīng)用。

但是與此同時，手機中集成的GPS系統(tǒng)也面臨著日益嚴(yán)重的問題。隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和手機功能的不斷增多，各種射頻標(biāo)準(zhǔn)的相互干擾問題凸顯。目前手機中集成的射頻標(biāo)準(zhǔn)主要有第二代數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)GSM，第三代TD-SCDMA/WCDMA，藍牙Bluetooth，調(diào)頻收音FM-radio，無線局域網(wǎng)WLAN等等。在設(shè)計手機系統(tǒng)時，必須考慮電磁干擾(EMI)和電磁兼容EMC)的問題，以避免相應(yīng)的功能受到環(huán)境干擾而性能受損，甚至無法工作的惡劣影響。盡管各個國家和地區(qū)已經(jīng)建立了相應(yīng)的電磁規(guī)范以規(guī)避上述問題，但手機設(shè)計和制造廠商依然面臨著日益復(fù)雜和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

相對于其它無線通信系統(tǒng)而言，GPS系統(tǒng)的輸入信號功率非常微弱。按照GPS系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范，GPS信號是從距離地面約兩萬公里的低軌衛(wèi)星上發(fā)送到地面上的固定或移動裝置，以地面接收裝置距離衛(wèi)星的地平面仰角50度為例，GPS的L1頻段中心頻率為1575.42MHz，則自由空間衰減F可由下式計算：

則接收到的GPS信號L1頻段功率Pr可近似由下式計算得到：

Pr=Ps-F-Loss (2)

衛(wèi)星的有效發(fā)射功率Ps為26.8dBW，自由空間衰減F約為183dBc，額外的大氣損耗Loss約為3.7dBc，這樣得到的GPS系統(tǒng)L1頻段CA碼信號的地面強度約為-160dBW，即-130dBm。在實際使用過程中，由于衛(wèi)星發(fā)射和地面接收機的仰角不同，以及受樹木，建筑，橋梁等的遮擋，一般GPS信號到達地面的強度甚至可能遠遠低于-130dBm。

而其它的通信系統(tǒng)中，GSM900發(fā)射功率為33dBm，GSM1800和GSM1900均為30dBm，WLAN為14～20dBm，Bluetooth為0到10dBm，其最大強度大約是GPS信號的10的15次方倍，即1000萬億倍!即使在GPS接收機前端增加傳統(tǒng)的SAW帶通濾波器，由于干擾信號的頻段距離GPS的頻段較近，一般只能提供額外的30～40dB隔離度，遠遠不足以將干擾信號衰減到忽略不計的程度。如此惡劣的射頻環(huán)境給GPS系統(tǒng)設(shè)計帶來了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

對系統(tǒng)設(shè)計者而言，GPS系統(tǒng)有幾個比較關(guān)鍵的設(shè)計指標(biāo)，如靈敏度Sensitivity和首次定位時間(簡稱TTFF)等等。手機中的GPS系統(tǒng)常常受到外部射頻干擾的影響，此時的干擾可以看作噪聲的一部分，在降低信噪比參數(shù)的同時，靈敏度指標(biāo)也隨著惡化，首次定位時間TTFF延長，直至完全無法搜索到GPS信號。

讓我們來看一下射頻干擾是如何影響GPS系統(tǒng)性能的。一般而言，GPS系統(tǒng)的靈敏度可由下式?jīng)Q定：

靈敏度Sensitivity[in dBm]

式(3)中，第一項Eb/N0由GPS系統(tǒng)的基帶BPSK解調(diào)性能決定的，第二項中，Rb是GPS基帶信號碼率，C/A碼中Rb等于50赫茲，即20毫秒的相干累積時長所得到的處理增益;第三項Gp是系統(tǒng)非相干積累增益;第四項N0為系統(tǒng)天線端口的熱噪聲功率譜密度，在室溫下等于-174dBm/Hz，第五項為GPS系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。前三項代表了GPS基帶部分所帶來的性能限制，而后兩項則代表了射頻部分所帶來的性能限制。在GPS的系統(tǒng)設(shè)計中，靈敏度的提高也是通過提高兩個方面來得以實現(xiàn)，一部分是基帶的Eb/N0解調(diào)性能，另外一部分則是射頻部分的噪聲系數(shù)NF性能。

除了靈敏度是消費者最關(guān)心的GPS系統(tǒng)指標(biāo)之外，首次定位時間(TTFF)也直接影響消費者的切身體驗。GPS設(shè)備的TTFF與其啟動條件有關(guān)，可以分為三種情況：一是接收器本身完全無有效衛(wèi)星數(shù)據(jù)的冷啟動(Cold Start);一是接收器具有有效的星歷數(shù)據(jù)、時間和起始位置，稱為暖啟動(Warm Start);如果再具有更準(zhǔn)確的廣播星歷數(shù)據(jù)，則稱為熱啟動(Hot Start)。

對于一個不具任何有效定位數(shù)據(jù)的GPS終端來說，最重要的是要收齊四顆衛(wèi)星個別的廣播星歷及衛(wèi)星時間數(shù)據(jù)，才能正確地計算定位。由于衛(wèi)星是以50bit/s的速率來發(fā)射信號，因此同步收齊四顆衛(wèi)星一個完整幀數(shù)據(jù)的時間，至少需要30秒(即1500bps)，其中需花18秒下載廣播星歷。因此，冷啟動與熱啟動的定位時間相差甚大，前者所需時間至少需要18~36秒，接收過程中如果出現(xiàn)了任何干擾而導(dǎo)致信號中斷，那就得重新再接收一次。相比較之下，如果在GPS設(shè)備的內(nèi)存中已有完整且有效的廣播星歷資料，只要確認(rèn)目前在頭頂上的四顆衛(wèi)星，即可立即進行定位計算，定位動作甚至在1秒之內(nèi)就可完成。

冷啟動的首次定位時間由如下幾項組成，接收機啟動時間Twarm，捕獲時間Tacq，跟蹤時間Ttrack，導(dǎo)航電文讀取時間Tced+gst，導(dǎo)航方案計算時間TPVT。而熱啟動僅僅包括捕獲時間Tacq，跟蹤時間Ttrack。一般而言，Twarm，Tced+gst，TPVT是相對固定的，而Ttrack和Tacq則決定了系統(tǒng)的首次定位時間長短。本文僅考慮射頻干擾對Tacq和Ttrack的影響而忽略其它時間項從而簡化了分析模型。在捕獲和跟蹤期間，系統(tǒng)通常有兩種處理方法來提高解調(diào)增益：相干累積和非相干累積。

相干累積可以較大提高處理增益,但相干時長不能無限加長,因為20毫秒周期的導(dǎo)航電文會帶來位翻轉(zhuǎn),從而影響相干結(jié)果.而非相干累積可以采用較大的累積時長來獲得更大的增益.但是相對于相干累積而言,非相干累積存在平方損失, 考慮到該損失之后的非相干累積的總增益可由下式計算:

式(4)中第二項為非相干累積所帶來的平方損失項，n為非相干累積的次數(shù)，直接決定非相干累積的持續(xù)時間，在給定檢測概率Pd=0.9和虛警概率Pfa=1e-7時Dc(1)約等于21。

3 高性能GPS低噪聲放大器對系統(tǒng)性能的提升

如圖1所示，傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)解決方案為GPS貼片電感直接與GPS接收IC相連接，該方案具有BOM成本低，占用手機內(nèi)部空間小，布線簡單等優(yōu)點，但不可忽視的是，該方案的性能指標(biāo)受到了一定的限制。由于手機內(nèi)部和周邊環(huán)境的射頻干擾非常嘈雜，GPS接收IC往往會受其影響而導(dǎo)致接收性能下降;除此之外，由于受手機PCB布線局限，GPS貼片天線一般距離接收IC較遠，兩者之間的PCB走線插損也對系統(tǒng)性能造成了不可忽視的影響。

圖1 傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)解決方案和改進方案對比

改進方案則加入了SAW濾波器和AW5005 GPS前置低噪聲放大器，SAW濾波器可以有效濾除帶外射頻信號的干擾，低噪聲放大器則進一步降低了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，有效的提高了系統(tǒng)性能。上海艾為電子技術(shù)有限公司推出了全新的GPS前置低噪聲放大器AW5005，相對于傳統(tǒng)方案，AW5005極為有效的提高了GPS系統(tǒng)性能，降低了復(fù)雜射頻環(huán)境下的GPS系統(tǒng)設(shè)計難度。

圖2所示為沒有AW5005和加入AW5005的GPS系統(tǒng)在不同靈敏度下的首次定位時間TTFF的區(qū)別。從圖2可以看出，無論在高低靈敏度條件下，擁有AW5005的系統(tǒng)TTFF遠遠小于缺少AW5005的GPS系統(tǒng)。

圖2 沒有/加入AW5005前端模塊的GPS系統(tǒng)在不同靈敏度下的TTFF

我們由公式(3)可知，接收IC前端的噪聲系數(shù)會影響系統(tǒng)的靈敏度。對于圖1中的改進方案，系統(tǒng)的級聯(lián)噪聲系數(shù)可由下式?jīng)Q定：

式(5)中，ILSAW為SAW濾波器的插損，NFLNA和PGLNA分別為LNA的噪聲系數(shù)和功率增益，ILTRACE為走線插損，NFRX為接收IC的噪聲系數(shù)。從式(5)可知LNA的噪聲系數(shù)直接影響靈敏度，在相同的靈敏度要求下，LNA噪聲系數(shù)越小，首次定位時間也隨之變小，其變化的趨勢如圖3所示。同理TTFF隨LNA的功率增益變化趨勢如圖所示，LNA的功率增益越大，TTFF越小，當(dāng)LNA的增益較小時，TTFF的變化趨勢較快;當(dāng)LNA的功率增益大于16dB時，TTFF受其影響變小。

圖3 系統(tǒng)TTFF隨LNA噪聲系數(shù)和功率增益的變化曲線

LNA之前的SAW濾波器可以有效的濾除帶外的射頻干擾。但是正如前文分析的，GPS的輸入信號非常微弱，目前絕大多數(shù)的商用SAW濾波器的帶外抑制都較為有限，即使經(jīng)過SAW濾波器的干擾信號依然對GPS的輸入信號造成了嚴(yán)重的影響，因此LNA的線性度就至關(guān)重要：在相同的輸入信號強度下，線性度較差的LNA所需的首次定位時間要比線性度好的LNA長。按照帶外干擾信號的類型來劃分，主要有如下三種：

(1)帶外強干擾造成LNA增益下降，噪聲系數(shù)上升。

一般手機在GSM頻段的最高發(fā)射功率可達33dBm，假定GSM天線到GPS/WLAN天線的隔離度為20dB(包括天線之間的VSWR失配)，SAW濾波器的帶外抑制為30dB，則LNA輸入端看到的最大輸入信號功率為-17dBm，當(dāng)手靠近手機時GSM天線的VSWR會發(fā)生明顯變化，該強干擾信號的強度可能會高達-15dBm，如此強的干擾會導(dǎo)致LNA輸入飽和，從而其功率增益和噪聲系數(shù)會惡化，GPS系統(tǒng)性能受到嚴(yán)重影響。

圖4 系統(tǒng)TTFF隨LNA 1dB壓縮點的變化曲線

圖4所示是TTFF隨LNA的1dB壓縮點P1dB的變化趨勢。帶外干擾強度為-15dBm，GPS系統(tǒng)的輸入信號強度為-165dBm。從圖中可以看出，即使P1dB高于帶外干擾信號的強度，其首次定位時間TTFF仍然受到較大的影響;而當(dāng)P1dB遠高于帶外干擾信號后TTFF受P1dB的影響變得微乎其微。AW5005可以提高高達-7.6dBm的1dB壓縮點，遠高于業(yè)界同類產(chǎn)品的水平，確保GPS系統(tǒng)不會因為帶外強干擾而性能惡化。[!--empirenews.page--]

(2)帶外雙音信號經(jīng)過LNA產(chǎn)生的三階交調(diào)項(Inter-modulation)落在GPS帶內(nèi)。

一個典型的例子是PCS-1900和GSM-1800的帶外雙音信號經(jīng)過LNA后產(chǎn)生的交調(diào)項正好落在GPS帶內(nèi)。PCS-1900的發(fā)射頻率為1851MHz，發(fā)射功率為24dBm，假定發(fā)射天線距離GPS天線1米，從而在GPS天線處看到的干擾信號強度為-20dBm，經(jīng)過濾波器在LNA輸入端看到了功率為-60dBm。而GSM-1800的發(fā)射頻率為1713MHz，發(fā)射功率為+36dBm，在GPS天線端看到的信號強度為21dBm，則經(jīng)過濾波器后的強度為-19dBm。經(jīng)過LNA后，該雙音信號產(chǎn)生的三階交調(diào)項頻率為：2×1713MHz-1851MHz=1575MHz，正好落在GPS信號帶內(nèi)，從而惡化了GPS系統(tǒng)的性能。等效到LNA輸入端口看到的交調(diào)項強度可由下式表示：

Pint=2PGSM+PPCS-2IIP3 (6)

式(6)中PGSM和PPCS分別為雙音信號的強度，IIP3為LNA的輸入三階交調(diào)點。而帶內(nèi)的干擾信號對GPS系統(tǒng)的信噪比影響如下式[5]：

式(7)中，C/N0為沒有干擾信號時的系統(tǒng)載噪比(carrier-to-noise-density-ratio)，Pin為LNA輸入端口看到的輸入信號強度，Q為擴頻增益因子，窄帶干擾時為1，寬帶擴頻干擾時為1.5，寬帶噪聲干擾時為2;Rb為GPS偽隨機碼率，當(dāng)GPS信號為C/A碼是Rb等于1.023M，因此可以得到TTFF隨LNA的IIP3指標(biāo)變化趨勢如下圖所示。AW5005可提供高達+6.5dBm的三階交調(diào)點IIP3，有效的減小了帶外多個干擾源對GPS系統(tǒng)的影響。

圖5 交調(diào)干擾下系統(tǒng)TTFF隨LNA 三階交調(diào)點的變化曲線

(3)帶外寬帶干擾可在單頻強干擾的條件下產(chǎn)生互調(diào)項(Cross-modulation)落在GPS帶內(nèi)。

除了雙音信號的交調(diào)項，某個窄帶強干擾(Blocker)和寬帶干擾信號依然可以產(chǎn)生帶內(nèi)的互調(diào)項從而影響性能。比如，GPS手機鄰近的移動設(shè)備無線局域網(wǎng)(WLAN)正在工作，最大發(fā)射功率為20dBm，則LNA輸入端接收到的信號功率為：

式(8)中，F(xiàn)為WLAN發(fā)射源到手機GPS天線的衰減，λ為波長，BWWLAN和BWGPS分別為WLAN和GPS的信號帶寬，假定d為1米，PTX等于17dBm，由此計算得到LNA輸入端接收到的WLAN信號強度約為-60dBm;另一強干擾源為GSM-1800，經(jīng)過濾波器的強度為-19dBm，從而得到互調(diào)項的強度如下式[6]：

式(9)中，PWLAN和PGSM分別為LNA輸入端看到的WLAN和GSM信號強度，Cfactor為考慮到采用IIP3來表征互調(diào)的校準(zhǔn)因子。將互調(diào)項代入式(7)，并且考慮到寬帶擴頻信號干擾時的校準(zhǔn)因子Q等于1.5，可以得到TTFF隨IIP3的變化曲線如圖6所示。LNA在IIP3分別等于-5dBm和+5dBm時，首次定位時間最大相差15倍，由72秒減小至4.7秒?，F(xiàn)在的移動設(shè)中，WLAN已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)配置，AW5005則讓內(nèi)置GPS在WLAN的干擾信號下隨時隨地放心工作。

圖6 互調(diào)干擾下系統(tǒng)TTFF隨LNA 三階交調(diào)點的變化曲線

4 AW5005同國內(nèi)外同類產(chǎn)品的比較

通過上文，我們了解了LNA的噪聲系數(shù)NF和線性度指標(biāo)P1dB/IIP3對GPS系統(tǒng)的性能影響至關(guān)重要。下面我們通過與國內(nèi)外同類競爭產(chǎn)品的比較來讓讀者更深刻的認(rèn)識AW5005的優(yōu)勢。無論是噪聲系數(shù)NF，還是線性度指標(biāo)P1dB/IIP3，AW5005都達到了業(yè)界領(lǐng)先水平，大大簡化了復(fù)雜射頻環(huán)境下內(nèi)置GPS系統(tǒng)的設(shè)計要求。

這里值得一提的是，設(shè)計LNA模塊時必須考慮功率增益PG和IIP3的折中，高功率增益往往線性度較差?，F(xiàn)實中，通常采用OIP3指標(biāo)來衡量模塊的線性度指標(biāo)更為準(zhǔn)確和可靠。圖7中列舉了國內(nèi)外同類產(chǎn)品的OIP3指標(biāo)，AW5005依然在同類型產(chǎn)品中領(lǐng)先。

圖7 同類型LNA產(chǎn)品性能參數(shù)對比

為了衡量LNA的綜合性能，文獻[8]給出了優(yōu)值計算公式來進行更為公平的比較。該公式如下所示：

由此得到的各個相關(guān)產(chǎn)品和AW5005的優(yōu)值如圖8所示。AW5005以22.6dB的最高分，比同類產(chǎn)品高2～10dB不等。由此可見，AW5005將是手機內(nèi)置GPS系統(tǒng)設(shè)計者和供應(yīng)商們的首選。

圖8 同類型LNA產(chǎn)品綜合優(yōu)值對比

5 線性度傳導(dǎo)測試案例

為了體現(xiàn)線性度在整體測試環(huán)境中的優(yōu)勢，我們搭建了如圖9所示的傳導(dǎo)測試平臺，用來測試在干擾環(huán)境下的GPS整機性能。如圖所示，該測試平臺包括兩個不同頻率的干擾源，可以用來模擬產(chǎn)生三階交調(diào)的干擾信號(如1.713GHz的UMTS頻段的和1.851GHz的GSM1800頻段)，以及二階交調(diào)的干擾信號(如824M的GSM頻段和2.4GHz的ISM頻段等

圖9 干擾環(huán)境下的整機傳導(dǎo)測試

等)，GPS信號源用來產(chǎn)生模擬GPS系統(tǒng)的8顆衛(wèi)星信號，隨后經(jīng)過一個高線性度的寬帶Diplexer功率合成輸出到樣機的天線饋點處。GPS系統(tǒng)采用國內(nèi)某廠商試產(chǎn)樣機，對比芯片采用國內(nèi)M公司的主打產(chǎn)品(簡稱為M)，干擾信號源頻率分別為1713MHz的UMTS頻段和1851的GSM1800頻段，當(dāng)GPS信號功率強度分別為-128dBm(左圖)和-143dBm(右圖)時不同干擾功率下的信噪比對比。

圖10 干擾環(huán)境下AW5005同同類型芯片M的整機傳導(dǎo)測試

從圖10可以得出結(jié)論，當(dāng)GPS信號功率為-128dBm時，AW5005的抗干擾能力明顯強于M：當(dāng)?shù)刃Ц蓴_信號強度為-82dBm時，采用AW5005的整機要比采用M芯片的整機載噪比高14dB，隨后M芯片的整機無法有效跟蹤GPS信號，進入失效狀態(tài)，而采用AW5005的整機仍然能夠準(zhǔn)確定位，知道有效干擾信號強度為-69dBm時才進入失效狀態(tài)。相比M芯片，AW5005的抗干擾能力高達13dB。同理當(dāng)GPS信號為-143dBm時，AW5005的抗干擾能力為14dB，最高載噪比優(yōu)勢為4dB。圖10中的下圖分別為不同GPS信號功率時AW5005的載噪比優(yōu)勢。

由于干擾信號的的頻率和來源較為復(fù)雜，其對整機GPS傳導(dǎo)性能的影響此處不再贅述，上述情況僅為一典型案例，其它情形可基于干擾環(huán)境下的整機傳導(dǎo)測試平臺進行相關(guān)測試。由上所述，AW5005的抗干擾能力在國內(nèi)外同類產(chǎn)品中具有較為明顯的優(yōu)勢，尤其適合用于基帶和射頻干擾信號較多的智能機解決方案中。

6 結(jié)論

隨著便攜式設(shè)備的爆發(fā)性成長，手機環(huán)境中的射頻干擾日益嘈雜，內(nèi)置的GPS系統(tǒng)面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 上海艾為電子技術(shù)有限公司推出的GPS低噪聲放大器產(chǎn)品AW5005，有效的解決了上述問題。與傳統(tǒng)的GPS LNA方案相比，AW5005提供了更低的噪聲系數(shù)、更好的線性度、更快的交貨時間和更有競爭力的性能。AW5005采用全CMOS工藝和獨特的線性度提升技術(shù)，特別適用于手機內(nèi)置的GPS系統(tǒng)前端。從系統(tǒng)設(shè)計的角度，AW5005也為GPS系統(tǒng)廠商提供了更高的價值，已促動內(nèi)置GPS模塊在功能和性能上進一步提高。