原创 将GPS集成到手机的设计考虑

全球定位系统（GPS）是当前和下一代手机里最受欢迎的一项功能。利用GPS功能和相关设备，用户可以确认其当前位置以及从当前位置到下一位置的方向。除了消费者需求的驱动，美国政府最近颁发的联邦E911法令也在促进GPS的推广。但是，由于手机信号和GPS信号频率的接近，以及手机信号更强(GSM手机信号强度为+30～+33 dBm)而GPS信号更弱(约-150dBm)的情况，将GPS功能集成到手机中并不是一件很容易的事情。为了集成GPS同时又保持GPS设备的小外形，业界的需求更多地集中在集成电路、降低元件尺寸和机械以及材料设计等问题上。但是，要同时保证手机和GPS的高性能，设计人员必须付出很大的努力。 

频率干扰器 

如今手机用户可以自由选择采用GSM、EDGE和UMTS等各种网络的运营商。表1列举了当前手机网络所用的各个频率。发射频率范围在380 MHz～2570 MHz之间，接收频率在390 MHz～2690 MHz之间，而GPS信号的频率则为1575.42 MHz。从表格1可以看到，在 PDC的发射频率1465 MHz和DCS 1800的发射频率1710 MHz之间，以及PDC的接收频率1513 MHz 和DCS 1800的接收频率1805 MHz之间，各有一段差距。而GPS信号就在这段差距范围内，但是，在这一频谱区域仍然有很多噪音，而GPS接收设备上的噪音带宽必须降低，才能够避免接受器的灵敏度被削弱。 

表1：当前手机网络所用的各个频率。 

为了降低噪音带宽，我们在GPS接受器的输入上加入了滤波功能。大部分能够集成到电子设备上的GPS模块都带有一个滤波器---例如表面声波(SAW)滤波器，以及一个匹配的低噪音放大器。由于手机和GPS天线靠得非常近，GPS输入上的噪音等级远比一个独立PGS设备上的噪音等级要高，所以还需要再加一个滤波器。SAW滤波器降低了噪音对于接受器灵敏度的影响。虽然滤波器的插入损耗也会导致GPS接受器噪音指数的增加，但如果应用得当，它还是能带来整体的理想效果。 

SAW滤波器是常用的理想选择，因为其外形小、性能佳且普及较广。如图1所示，一般的SAW滤波器外形尺寸仅有1.2 X 1.4 X.46 mm。 

图1：贴片到PCB上的SAW滤波器；旁边是0402电阻器。 

针对GPS信号的SAW滤波器的插入损耗可以低至1.2 dB，因而将噪音和对接受器灵敏度的影响最小化。其它应用前景不错的滤波器有薄膜声体波谐振器(FBAR)和体声波(BAW)滤波器。目前已经有用于GSM网络的FBAR quintplexer。它具有分别用于PCS接收频段、PCS发射频段、蜂窝接收频段、蜂窝发射频段、GPS和一根普通天线的独立接口。如果电路设计布局得当，这一器件可以用于一个集成了GPS模块的精巧型GSM手机设计中。 

设计考虑 

要让一个集成了GPS和手机的系统获得成功，正确的设计至关重要。GPS接受器的灵敏度非常高，可能需要解码低至-150 dBm的极低功率信号。如此高的灵敏度使之很容易受到集成系统内部所产生的噪音的影响。设计人员必须将这类噪音降低到不会影响GPS的程度。以屏蔽装置将系统分割成多个部分，可以消除一定的噪音。要实现这一点，必须让屏蔽装置密切接地。此外还需要利用商用型2.5D和3D仿真器进行EM建模，以确认屏蔽装置所连接的接地环就是为达到理想频率所需要的。只有精确的基环仿真、通过尺寸和位置对接地层的正确选择以及和主电源地的互连，才能实现一个可靠的屏蔽方案。 

如何设计接地也是一个需要考虑的重要因素。一般在有一个或多个内部接地层的情况下会采用顶层接地层的方案。在需要将板表面上的信号隔离时，顶层接地层是非常有用的。这个同样用于屏蔽接地环的方案可以确保顶层接地层能执行所需的功能。图2展示了一个堆栈了多个内部接地层的PCB设计方案。 

电路板上的接地层一般都是一个很好的电流返回路径。但要期望这个返回路径中没有任何电压位差，则显得有点过于乐观了。即便在很小的PCB上，电压位差也会经常出现。为此，带RF收发器的PCB和数字处理器一般都采用各自独立的接地层。唯有当PCB上只有一类电路时，一个接地层才有可能足够。 

图2：带独立数字和RF接地层的一般PCB。 


多个内部接地层的使用一般有两种方式。一种就是在PCB上堆栈多个层以形成一个通用接地层，而另一种则是让一个PCB堆栈层上的所有接地层彼此分开，仅在主电源接地端汇合。如果采用多个层来组成一个通用接地层，就不会有任何的接地层间电压位差，否则就会产生一个噪音通道。 


如上文所述，层的分隔可以是分隔PCB堆栈中的多个层，也可以将一个接地层分隔成数字和RF两部分。在这种情况下，我们的目标就不是要实现一个理想的通用接地层，而是要将由某个特定元器件产生的噪音隔离，并使之不会干扰其它任何元器件。接地层随后与主电源接地端连接。主电源接地端是各个分隔层彼此连接的唯一位置。这个方法可以隔离电源噪音并使之原理GPS接收器电源。比如，一个GSM手机在发射信号时很容易产生电源噪音。有些GSM手机可能会在发射信号的577μS时间内耗费2.2A的电流。锂离子电池是理想的手机电源，但这里还需要一个较大的电容器来提供局部电流。然而，考虑到手机的小外形，很难在集成一个大型电容器的同时还能确保其小外形。因此，在手机发射过程中电源轨上就必然会有零点几伏的电压跌落。如果手机接地层和主电源接地端子之间有电阻，那么手机的接地层就会产生噪音。将接地层隔离开来才能够隔离并降低噪音干扰。 


当一个TDD手机发射信号时，如果电池给主电源层供给的电压中断，就会在电源板上产生大量噪音，影响GPS的性能。所以，以一个专用的GPS电源层作为板上的专用层，或者作为由一个专用调节器供电的层的分隔部分，可以保持GPS电源轨不受噪音干扰。 


旁路 


如果连接到GPS的电源线没有正确地旁路，也会产生问题。合理的电路板设计可以简化旁路方案，但并不是任何时候都能将噪音信号隔离开敏感元器件。在选择旁路电容器时，研究并确定自共振频率(SRF)和ESR值是很重要的。我们可以在网上找到很多资源来帮助我们进行这样的分析，例如Murata网站上可供免费下载的软件程序(如图3所示)。这个由Murata的在线程序生成的图表展示了用来将信号分路到接地层的电容器的S21区块图。 

图3：分路电容器的S21图。 


选择能够最有效地削弱干扰信号的电容器，可以降低甚至完全消除电源轨上的多余信号。 


总结 


要将只能用于接收较低RF信号的器件，集成到一个会产生较大RF输出信号的小外形系统中，是一项非常具有挑战性的任务。那些希望将GPS接收器集成到手机中的设计人员所面临的正是这样的情况。选择正确的滤波器、噪音屏蔽和旁路都可以将这些问题的影响最小化，甚至完全解决。如果对于潜在干扰信号有一个全面的了解，就能帮助设计人员选择恰当的滤波器，从而减小噪音带宽。PCB板接地层的合理设计可以降低噪音。接地层的设计对于旁路的应用也是非常重要的。要实现有效的旁路，就必须了解电容器的频率限制。为此，设计人员必须了解可能会通过PCB传播并在电源轨上产生噪音的频率，以便确认旁路电容器的值。以无噪音的电源轨作为开始，是另一个降低噪音干扰的有效方法。将GPS电源层和其它本身含噪音的电源层分开也是一个不错的开端。在设计阶段采用这些方法，设计人员可以减少在识别噪音源和将噪音降低至PCB板可接受程度上所需要的时间。 


转自 《电子工程专辑》网站