手機集成GPS的注意事項

　　全球定位系統(tǒng)(GPS)是目前及下一代手機最受歡迎的新功能之一。運用GPS功能和相應(yīng)的防火墻，人們可以判斷自己當(dāng)前的位置，尋找從當(dāng)前位置到新地方的指導(dǎo)等。用戶的需求迅速增長，另外近期美國聯(lián)邦通信委員會發(fā)布的E911條例也迫使廠商采用這一功能。

　　可是，集成這一新功能并非易事，給定相關(guān)臨近的頻率，大信號強度給手機(加30到33dBm給GSM)，同時相關(guān)的低信號給GPS(按次序減150dBm)。結(jié)合這個性能，同時保持手持設(shè)備小尺寸的特點，需集成電路，減小部件尺寸，機械工程和材料工程。無論如何，設(shè)計師需要付出很大的努力，以保證手機及添加功能的良好性能。

　　頻率干擾器

　　手機用戶現(xiàn)在可以挑選自己的手機服務(wù)商，有GSM、EDGE及UMTS。表1列舉當(dāng)前手機服務(wù)網(wǎng)絡(luò)所使用的頻率。發(fā)射頻率為380MHz～2570MHz，接收頻率為390MHz～2690MHz，同時GPS信號為1575.42MHz。正如表1所示，手機的發(fā)射頻率1465MHz～1710MHz段未使用，接收頻率1513MHz～1805MHz段未使用。GPS所使用頻率正好在其中。然而，這一頻段有大量噪聲，GPS接收器靈敏度會降低。

　　為了降低噪聲帶寬，GPS接收器的輸入應(yīng)加過濾功能。大部分可與電子設(shè)備集成的GPS模塊均帶有過濾器，例如：聲表面波(SAW)過濾器，模塊中有相應(yīng)的低噪聲放大器。由于手機的天線和GPS的天線物理位置很接近，因此GPS輸入端的噪音很大，遠(yuǎn)大于獨立的GPS單元的狀況。SAW過濾器的加入，可降低噪聲對接收器靈敏度的影響。雖然過濾器的插入損耗將增加GPS接收器的噪聲，但如果適當(dāng)使用，它將完成全部所需的功能。

　　SAW過濾器是典型的過濾器，因其小，性能良好及易于使用。如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)過濾器的尺寸是1.2mm×1.4mm×0.46mm。

　　用于GPS的SAW過濾器插入損耗為1.2dB，從而使噪音最小化。其他一些過濾器將在未來應(yīng)用，如薄膜體聲波諧振器(FBAR)和體聲波(BAW)過濾器。FBAR五通道編碼器當(dāng)前用于GSM網(wǎng)絡(luò)。五通道編碼器有獨立的端口，分別用于PCS接收帶、PCS發(fā)射帶、蜂窩接收帶、蜂窩發(fā)射帶、GPS及共有天線。在精細(xì)的電路板設(shè)計草圖中，以上設(shè)備習(xí)慣用在有GPS模塊的GSM手機里。

　　設(shè)計中需考慮的事項

　　適當(dāng)?shù)脑O(shè)計草圖是結(jié)合GPS與手機系統(tǒng)成功的重要因素。GPS接收器高靈敏度，必須解碼極低能耗信號。高靈敏性使它易受集成系統(tǒng)噪聲的影響。這樣的噪聲應(yīng)降低至最小，以致無法干擾GPS。劃分防護罩的面積可幫助消除噪音。至關(guān)重要的一點是防護罩應(yīng)接觸地面。EM模型可用于商業(yè)上使用的2.5D及3D模擬器，以校驗防護罩連接的基環(huán)所需的實際頻率。仔細(xì)模擬基環(huán)，基于大小尺寸進行選擇和基于近地面層進行選擇，與主接地電源相互連接，將引導(dǎo)形成好的防護罩方案。

　　如何設(shè)計接地是一件重要的事項。通常，頂端地線用于一個或多個內(nèi)部地面層。頂端地線可幫助孤立信號通到板的表層。在防護罩接地基環(huán)中應(yīng)用完全同樣的方式，這樣可保證頂端地線完成所需任務(wù)。圖2所示的是一個多層印刷電路板，它有2個地線層。

　　一般來說，電路板的接地是非常好的電路回流路徑。不用期望這個回流路徑?jīng)]有一點兒電壓差。即使在小的印刷電路板中，也存在多處的電壓差。由于這個原因，具有射頻收發(fā)器及數(shù)字處理器的印刷電路板一般必須為它們準(zhǔn)備單獨的接地。如果只有一種類型電路，一個接地層可能就足夠了。

　　多個內(nèi)部地線一般有兩種處理方式。一種方式：各層采用同一接地。另一種方式：印刷電路板的每一層采用獨立的接地，然后接入唯一的主電源接地端子。如果多層使用同一地線，各層接地沒有電壓差，同時將創(chuàng)造出噪音路徑。

　　如上所述，PCB堆棧可采用獨立的每一層接地，或數(shù)字和射頻相互獨立地接地。在這種情況下，我們不再為形成完美的同一地線而努力，而是將產(chǎn)生噪音的部分隔離，使它不再干擾其他部分。分接地將連接至主電源接地端子。主電源接地端子是各個獨立接地相互接觸的唯一點。這一技術(shù)對隔離電源供給帶來的噪音非常有幫助，可使GPS電源供給不受干擾。

　　例如：GSM手機發(fā)射信號時，容易產(chǎn)生電源供給的噪音。某些GSM手機發(fā)射時，在577 μs內(nèi)拖動2.2A電流。鋰離子電池可作為好的手機電源，但更大容量的電池更好。無論如何，保持手機已有的小尺寸。很難獲取更大容量的電池。結(jié)果是：手機發(fā)射時，將減低十分之幾的電源供給。如果在手機接地與主電源接地端子間有阻抗，用于手機的接地面會變成噪音。保持各接地的獨立，對隔離及減弱噪音干擾非常有益。

　　當(dāng)TDD手機發(fā)射時，從電壓來看，來自電池電源的電源塊是一個巨大的噪音，將會減弱GPS的性能。使用專門的GPS電源塊，或者是電路板堆棧中專門一層，或者是一層中孤立的一部分。這樣可幫助實現(xiàn)GPS電源軌跡的干凈。

　　旁路

　　如果沒有恰當(dāng)?shù)靥幚鞧PS的電源供電回路，會出現(xiàn)一些問題。謹(jǐn)慎地設(shè)計電路板，可能有益于簡化線路方案，但不可能靈敏部件總能遠(yuǎn)離噪音信號。選擇旁路電容時，研究自諧振頻率(SRF)及串聯(lián)等效電阻(ESR)是重要的。有幾個在線資源可幫助這方面的調(diào)查研究，例如：Murata的網(wǎng)站有免費下載的可用程序，用程序生成圖3所示為S21電容的旁路信號接地的配置。選擇最有效降低干擾信號的電容，可幫助削弱或消除電源通路上的干擾信號。

　　結(jié)論

　　集成一些設(shè)備到手機這樣小尺寸的系統(tǒng)中，是一項具有挑戰(zhàn)的工程。手機可產(chǎn)生相對巨大的射頻輸出信號，集成的設(shè)備用于接收相對低的射頻信號。這種情況是設(shè)計者目前要面對的。過濾器的挑選，防護罩和旁路均有助于解決或最小化問題。全面理解電位干擾信號有益于過濾器的挑選。一份精細(xì)電路板接地部分的設(shè)計方案，將有助于降低噪音。設(shè)計有效的旁路，必須明白電容的頻率限制。設(shè)計者必須理解印刷電路板上傳播的頻率，通路噪音如何產(chǎn)生電源，以便選擇旁路電容。另一減弱噪音干擾的有效方法是使用干凈的電源通路。把GPS電源層與其他電源層隔開，減弱噪音。通過使用以上方法，設(shè)計師能減少識別噪音源所花費的時間資源，削減噪聲可用于建立印刷電路板。