當我們在路上時，不管是走路或開車，常會發現從GPS接收器接收到的衛星訊號強度會有不同的變化；同時，在某些區域，會由於不明原因發生完全喪失訊號的情況。這類的訊號強度降低可能會因為在大樓林立的市區中、建築物內、或甚至在濃蔭的大樹下，導致訊號的衰減和封鎖，但也有可能是由非預期（unintentional）干擾（jamming）所造成─我們每天常用的電子與電器用品都會產生許多雜訊，足以遮蔽衛星訊號。這些干擾訊號甚至也可能來自常用的電池供電消費性產品，如可攜式音樂播放器、行動電話，以及汽車電子。

為確保GPS系統提供最佳的功能性，所有想要在消費性裝置中嵌入GPS功能的設計工程師，除了要遵循正確的工程範例之外，更要選用專門設計用來降低干擾效應的元件。選用適當的天線當然是要點之一，但是工程師同時也應該瞭解，每個GPS接收器晶片組的抗干擾性能會有很大的差異性。為了協助工程師評估並選用正確元件，本文將首先以多個面向檢視干擾效應，然後說明如何使用專屬技術所提供的抗干擾功能，並得到與其它傳統GPS接收器相較更優異的效能。

極弱訊號的擷取

任何一個GPS接收器都會有干擾問題的原因之一是因為來自衛星的訊號非常微弱。衛星傳輸的功率輸出大約是30 W，高度為離地表2萬公里。只需想像一下，當一個燈泡的光線在行走了這麼長的一段距離後，還會有多少的強度，就可以知道此衛星訊號的強度了！事實上，一個在開放空間（open sky）室外擷取到的典型訊號，其範圍大概是-120 dBm (1 x 10-15W)，而在一般的居住建築物中移動時，大概還要加上20或 30 dBm的衰減。由於訊號如此微弱，因此其它與GPS擁有同樣頻帶的訊號，不需要很強，就可以覆蓋掉此衛星訊號。

非預期性干擾

如上所述，此類非預期干擾來自於常用的商業化電子用品。工程師可能會預期，針對某些消費性電子產品，像是FCC、CE與其他的機構會規範其對GPS系統的干擾程度。但很不幸的，情況並非如此。首先，這些規範並沒有涵蓋頻率高於1 GHz的訊號，而GPS的載波訊號頻率為1.575 GHz。其次，這些規範允許-60至 -80 dBm範圍的發射源（emission），這比GPS訊號的強度高出好幾個數量級。

由於環繞在GPS系統周圍的真實電子世界並未完全考慮到這些影響，因此，GPS接收器必須能夠處理這些非預期的干擾。這些干擾訊號的來源通常來自幾乎每個電子產品都有的時脈電路或切換式電源供應，甚至其顯示器中的驅動器電路和掃描頻率，也都可能會產生干擾。舉例來說，PDA會透過其WLAN埠或藍牙介面在螢幕上產生雜訊。行動電視也會產生很大的干擾。此外，在汽車內，也有很大的可能會產生干擾，不只是來自電子引擎控制，也會來自於電子儀表板和娛樂系統。

干擾源難以隔離

如果工程師想要很快的知道這類干擾的情況，很簡單，只要拿任何一台GPS接收器並把它放在桌上型電腦或筆記型電腦的螢幕旁邊，你就可以立即看到來自不同衛星的衛星訊號強度降低的現象，甚至有時候會有喪失衛星鎖定的情況產生。

尤其是，通常要隔離這樣的非預期干擾根源是很困難的。在一個著名的案例中[1]，整個舊金山南部的Moss Landing港口都受到干擾，即使是在出海1公里的位置，也完全無法收到GPS訊號。透過定向天線的協助以及關閉每艘船的陸地電源（shore power），才終於找到真正的發射干擾源：一艘遊艇上有內建前置放大器的商用VHF/UHF電視天線，此天線在電視關閉時，仍然會繼續運作。即使此電視天線是放在儲藏櫃中，但它的發射源還是會強到對商用漁船和遊艇造成嚴重的影響。

消除干擾的措施

我們無法消除所有的這些非預期干擾訊號，因此只好想辦法與它們和平相處。GPS設備與晶片組的製造商則採取不同的方式來試圖消除這些干擾訊號。舉例來說，第一項採取的減緩措施，幾乎每個GPS接收器都會放置一或兩個的SAW（surface-acoustic wave表面聲波）濾波器在訊號鏈中，以消除頻帶外的訊號如(圖一)。接下來，有些製造商，如u-blox，會放置一個低通去交疊濾波器（lowpass anti-aliasing filter）在RF晶片中，以去除在A/D轉換器的數位化過程中，可能產生的雜訊（ghost）。此外，再放置一個高通濾波器（highpass filter）在A/D之後，以消除可能來自於數據轉換的DC元件，同時去除在CMOS電路中固有的閃爍（flicker）雜訊。

《圖一　這是一個以ublox 5技術為基礎的簡化GPS接收器方塊圖。其中，在訊號輸入端的SAW濾波器可阻擋頻帶外的干擾，再加上軟體控制的數位濾波器組可除去特定的干擾源。》

使用數位濾波器

然而，頻帶內的干擾訊號仍然是一個需要處理的問題。每個GPS接收器都有自己的特定方式，例如u-blox公司的ublox 5就採取了一些特別的技術。首先，從LNA來的類比訊號被數位化為5位元解析度的訊號，（這提供了30 dB的動態範圍），與其它的接收器做法不同，它們通常只數位化為1、1.5、或2位元的解析度，（其動態範圍最高為10 dB）。擁有此額外的動態範圍，ublox 5便能夠採用基於一組晶片上數位濾波器的專有濾波方式，透過軟體控制方式來變更其配置。

追蹤正確的訊號

特別是，此技術涵蓋了整個GPS接收器頻帶，來搜尋最強訊號峰值，並執行統計分析來決定每個搜尋到的訊號是否為衛星訊號。當找到干擾訊號時，此方法會將其置於一清單上，接著便把它予以消除。最後，如果有訊號無法以此方法消除，此技術會建立一閾值表，如果有實際的GPS訊號衰減至此閾值以下，此偵測演算法會非常謹慎的運用此訊號，以免接收器追蹤到錯誤的訊號。

此特殊的干擾消除方法需要相當大的處理能力，而ublox 5採用了ARM處理器。在此處理器的控制下，結合了硬體與軟體的專有技術能夠降低30 dB的干擾訊號。為更清楚看到這個結果，請見(圖二)，其中兩條曲線顯示了ublox 5和傳統接收器的效能比較。此曲線顯示，若要在接收器輸出端訊號產生3 dB的衰減 （3-dB 敏化（sensitization）點），所需的干擾功率大小；同時，此曲線也顯示了GPS載波訊號在+/- 40 MHz左右的結果。例如，直接在載波上，只需要-110 dBm的干擾訊號，就可使採用傳統方式的接收器訊號衰減3 dB，然而ublox 5能夠在達到3-dB敏化點之前，處理強度多25 dBm的干擾訊號。

《圖二　直接在GPS載波頻率上量測，只需要-110 dBm的干擾訊號，就可使採用傳統方式的接收器訊號衰減3 dB（橘線），然而ublox 5能夠在達到3-dB敏化點之前，處理強度多25 dBm的干擾訊號（藍線）。》

現場測試結果

現在，讓我們更進一步說明此dBm在實際現場對GPS接收器干擾訊號效能的影響。(圖三)顯示了採用傳統方式(圖左)以及ublox 5技術(圖右)，在受到可能是干擾訊號的不同雜訊影響時的實驗結果。當雜訊為+10 dB時，ublox 5可接收到來自更多衛星的訊號。此外，平面圖上的大點顯示出，這兩個系統，每次它們讀取位置時，其結果大致是相同的。這意味著，讀取結果應該是正確的。但隨著訊號強度增加到+20 dB，採用傳統方式接收到的衛星訊號強度便開始衰減，因此GPS接收器每次計算出來的位置都不太一樣，如各個位置點所示。

相反地，ublox 5持續以最強的訊號強度讀取到大部分的衛星，並提供相同的位置結果。當更高的雜訊強度使得傳統的GPS技術無法讀到任何的衛星時，ublox 5仍能持續維持位置的準確性。只有當雜訊強度高過40 dB時，會使讀到的衛星數開始下降，而讓位置產生變異，但系統仍是繼續在運作。

《圖三a 受到單一頻率、頻帶內干擾訊號時，採用傳統技術(圖左)與ublox 5技術(圖右)的現場測試比較。上圖每個螢幕顯示的是GPS衛星的訊號強度，以下的點則為幾個計算位置的追蹤結果。隨著干擾訊號增加，不同技術能追蹤到的衛星數量以及訊號強度亦隨之減少。》

《圖三b》

《圖三c》

《圖三d》

結論

GPS系統設計人員應考慮產品會被使用的地點、有可能遇到的雜訊類型、非預期干擾的效應，以及應選用哪一種最有效的干擾消除技術，才能為使用者帶來更佳的效益。如同本文中所顯示的數據結果，GPS接收器中所建置的創新干擾消除技術，能夠在雜訊環境中，大幅提升GPS靈敏度與準確性。

參考資料

[1]“一個海岸港口的GPS干擾排除”，GPS World，2003年1月1日。

--作者Andreas Thiel為u-blox公司創辦人暨執行副總裁，Michael Ammann為嵌入式軟體開發副總裁。--