手机整合GPS并非易事
全球卫星定位系统(Global Positioning System;GPS)功能是现今新一代手机最受欢迎的功能之一。利用GPS功能及相关韧体,就能判断使用者当下所处位置,并得知从目前位置前往新位置的前进方向。
把GPS功能整合至手机并非易事,因为手机讯号和GPS讯号的频率相近,同时手机讯号强度相对较高(GSM手机为30~33dBm)(注一),而GPS讯号相对较弱(仅有- 150dBm)(注二)。为整合GPS功能并维持小巧尺寸设计,设计者对于整合电路、缩小元件尺寸及机械材料工程等的需求越来越高的同时,又必须努力维持手机及其扩增功能的性能。
由于系统会产生相对较高的射频输出讯号,而元件的设计目标是接收相对较低的射频讯号,因此整合元件至小体积的系统会面临严苛的挑战。设计人员把GPS接收器整合至手机时,就会面临相关难题。
频率干扰
降低GPS接收器输入端杂讯频宽
手机用户可选择多重手机门号服务,手机业者采用各种不同的GSM、EDGE和UMTS网路来提供服务。表一列出目前手机网路提供服务的频率:传输频率从380MHz~2570MHz,接收频率从390MHz~2690MHz,而GPS讯号则为1575.42MHz。如表一所示,手机使用的频谱之间存在着间隙:传输频带的1465MHz与1710MHz,以及接收频带的1513MHz与105MHz之间,GPS讯号就落在这个间隙。但这个频段存在许多杂讯,GPS接收器输入端上的杂讯频宽必须降低,才能避免接收器的灵敏度衰减。
(表一) 手机频谱与GPS频带间隙示意表
Network |
Phone Tx Freq. (MHz) |
Phone Rx Freq. (MHz) |
T-GSM 380 |
380.2 - 389.8 |
390.2 - 399.8 |
T-GSM 410 |
410.2 - 419.8 |
420.2 - 429.8 |
GSM 450 |
450.4 - 457.6 |
460.4 - 467.6 |
GSM 480 |
478.8 - 486.0 |
488.8 - 496.0 |
GSM 710 |
698.0 - 716.0 |
728.0 - 746.0 |
GSM 750 |
747.0 - 762.0 |
777.0 - 792.0 |
T-GSM 810 |
806.0 - 821.0 |
851.0 - 866.0 |
GSM 850 |
824.0 - 849.0 |
869.0 - 894.0 |
T-GSM 900 |
870.4 - 876.0 |
915.4 - 921.0 |
R-GSM 900 |
876.0 - 915.0 |
921.0 - 960.0 |
E-GSM 900 |
880.0 - 915.0 |
925.0 - 960.0 |
PDC |
940 - 956 |
810- 826 |
P-GSM 900 |
890.0 - 915.0 |
935.0 - 960.0 |
PDC |
1429 - 1465 |
1477 - 1513 |
GPS Receive |
1575.42 |
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DCS 1800 |
1710 - 1785 |
1805 - 1880 |
UMTS-FDD |
1710 - 1785 |
1805 - 1880 |
UMTS-FDD |
1710 - 1755 |
2110 - 2155 |
UMTS-FDD |
1749.9 - 1784.9 |
1844.9 - 1879.9 |
UMTS-FDD |
1850 - 1910 |
1930 - 1990 |
UMTS-FDD |
1920 - 1980 |
2110 - 2170 |
UMTS-FDD |
2500 - 2570 |
2620 - 2690 |
UTMS-TDD |
1900 - 1920 |
1900 - 1920 |
UTMS-TDD |
2010 - 2025 |
2010 - 2025 |
PCS 1900 |
1850 - 1910 |
1930 - 1990 |
UTMS-TDD |
1850 - 1910 |
1850 - 1910 |
UTMS-TDD |
1930 - 1990 |
1930 - 1990 |
UTMS-TDD |
1910 - 1930 |
1910 - 1930 |
UTMS-TDD |
2570 - 2620 |
2570 - 2620 |
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接收器加上SAW滤波器
为了降低杂讯频宽,GPS接收器的输入端加上了滤波器。大多数能够整合至电子装置的GPS模组,都含有滤波器,例如表面声波(SAW)滤波器,并包含低杂讯放大器。由于手机与GPS天线靠得很近,比起独立的GPS装置,手机内GPS输入端的杂讯程度会高出许多,因此必须加入SAW滤波器,能减少杂讯对接收器灵敏度的影响。虽然滤波器的插入耗损会增加GPS接收器的杂讯值,但若妥善地建置,其能达到所需整体效果。
滤波器因为体积小、效能佳且容易取得,通常是最理想的选择。如图一所示,典型滤波器的尺寸为1.2×1.4×46 mm(注三)。
《图一 置于印刷电路板的SAW滤波器,旁边有多个0402电阻器 》 |
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多重降低杂讯的滤波器
针对GPS讯号设计的SAW滤波器,插入耗损能降低至1.2dB,因而能尽可能减少杂讯值与接收器灵敏度的衰减。未来具有发展潜力的其他滤波器,还包含薄膜体声波谐振器(FBAR)以及体声波(BAW)滤波器,目前已有针对GSM网路的FBAR五段多工器。五段多工器有支援PCS接收频带独立通讯埠、PCS传送频带埠、手机接收频带埠、手机传送频带埠、GPS功能,与一个通用天线(注四)埠。若能审慎配置电路板,这种元件能运用于高度整合的GSM手机与GPS模组的迷你型产品上。
配置的考量因素
规划遮蔽元件结构
若要妥善整合GPS与手机的系统设计,规划配置是其成功关键。 GPS接收器非常敏感,且需要对强度仅有-150dBm(注二)的超低功率讯号进行解码,其敏感度让接收器容易受到整合系统所产生的杂讯影响。这类杂讯应该尽可能降低至不会干扰GPS的范围。以多个分区区隔与遮蔽元件的方式,能协助消除部分杂讯,成功关键在于遮蔽元件必须紧密接地。电磁的模拟建构应利用市面上通用的2.5D与3D模拟器,以检验接地环及连结的遮蔽元件,是否在工作频率确实接地。细心的模拟接地环、选择合适的导孔尺寸与导孔位置接地层,以及连结至主电源的内连线,能建构出强固有效的遮蔽结构。
选择配置接地线路
选择如何配置接地线路也是一项重要的考量因素。通常,顶层接地元件会与一个或多个内部接地层搭配使用。若隔离连结至机板表面的讯号时,顶层接地元件能发挥不错的效果。用来遮蔽接地环的方法,也可用来确保顶层接地元件发挥理想的功效。图二即显示印刷电路板PCB堆叠与多个内部接地元件。
PCB接地元件
一般而言,电路板的接地元件是相当好的电流回流通道。但若期待该回流通道在整个区域内没有电位差,可能过于乐观。即使在小型PCB上,也可能多次观察到电位差。因此,装有射频收发器与数位处理器的印刷电路板,通常会为每个元件设置独立的接地装置。若PCB上只有一种电路,一个接地面就可能足够。
《图二 原生印刷电路板堆栈显示独立的数字与射频接地组件 》 |
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多重内部接地架构
多重内部接地装置通常用于两种模式,一种是在PCB堆叠中,使用两个以上的电路层,并连结一个共用的接地装置。另外一种则是在PCB堆叠中,将每个电路层配置一个接地面,彼此相互隔离,且连结至主电源的接地终端装置。若使用多层元件作为共用接地面,则接地面与杂讯通道间,就不会产生任何电位差。
区隔设计隔离特定杂讯
区隔设计可以是PCB堆叠中的多个独立电路层,或是区隔成一个数位与一个射频部份的接地层。在这里,设计目标不是尝试建构一个完美的共用接地面,而是隔离特定种类元件产生的杂讯,让杂讯不会干扰其他种类的元件。然后接地面再连结至主电源的接地端,主电源接地端是各接地面间唯一相互连结的点。这种技术对于隔离电源供应杂讯、让杂讯远离GPS的电源相当有效。
手机发射讯号电源压降产生杂讯
例如GSM手机在发射时容易产生电源杂讯;有些GSM手机在发射讯号时,在577?S的时间内,就会耗用2.2安培的电力。锂电池在提供系统电源方面表现良好,但需要一个相当大的电容器作为区域电流井,然而由于手机的体积小,因此很难找到体积够小但容量够大的电容器。因此手机发射讯号时,电源会出现零点几伏特的压降。若手机接地面与主电源供应接地终端元件之间存在电阻,手机的接地层就会成为杂讯来源,所以需要让各层接地层各自独立,有效隔离并降低杂讯干扰。
专属电源层协助降低杂讯
当TDD手机发射讯号时,电源的压降产生的大量杂讯,这就会对GPS效能产生负面影响。运用一个专属的GPS电源层,无论是机板堆叠中的一个专属层,或是连结专属电源调节器的电路层中的隔离区域,都能协助排除GPS电源轨的杂讯。
旁路设计
若连结至GPS的电源供应线路没有妥善旁路,也可能衍生许多问题。审慎的电路板配置,能协助简化旁路架构,但不一定能让所有杂讯避开敏感的元件。
在选择旁路电容器时,研究与判断自谐振频率(SRF)与串联等效电阻(ESR)值,相当重要。许多线上资源可协助进行这类研究,如图三所示Murata网站上可免费下载的程式(注五),透过Murata线上程式产生的S21图表显示,电容器能把杂讯分流至接地装置。
选用能够有效降低多余讯号的电容器,可帮助减少或消除电源上不需要的杂讯。
结论
选择滤波器、遮蔽架构配置与旁路设计,都能协助减少或解决GPS讯号受到杂讯干扰问题。通盘了解所有潜在的干扰讯号,选择滤波器进而降低杂讯频宽;藉由设计印刷电路板的接地配置,能够有效遮蔽并协助减少杂讯;接地配置对于旁路建置也相当重要。
旁路若要有效,必须了解电容器的频率限制。设计人员必须了解可能传经PCB的讯号频率,并在电源轨上制造杂讯,借此找出旁路电容器的数据。另一种有效的方法,是从无杂讯电源轨开始着手,逐步降低杂讯干扰,将GPS的电源层与其他含有杂讯的电源层加以区隔。借着在设计阶段建置这些方法,设计人员可减少花在找出杂讯来源的时间,并在PCB开始制造时,就把杂讯降到可接受的水准。
(作者为Tessera台湾区总经理暨东亚区总监)
<参考资料:
注一:SAGEM, SCT TMO MOD SPEC 553 E, Date:23/11/04, Section 1.6 Product Features, P. 8/61
注二:Locosys Data Sheet of Locosys GPS Module, Ver 1.1, Section 4, GPS receiver, p. 3/28
注三:SAWTEK, Data Sheet of 856561 1575.42MHZ SAW Filter Electrical Specifications, Rev A 06-Mar-2006, page 2 of 6
知识:AVAGO, Datasheet ACPM 7101 PCS\Cellular\GPS Quintuplex
注五:http://www.murata.com/designlib/mccdl/index.html>