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标题: 复杂射频干扰环境下的高灵敏度GPS系统设计(下) [打印本页]

作者: forsuccess    时间: 2014-10-16 23:49     标题: 复杂射频干扰环境下的高灵敏度GPS系统设计(下)

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  3 高性能GPS低噪声放大器对系统性能的提升
  如图1所示,传统的GPS系统解决方案为GPS贴片电感直接与GPS接收IC相连接,该方案具有BOM成本低,占用手机内部空间小,布线简单等优点,但不可忽视的是,该方案的性能指标受到了一定的限制。由于手机内部和周边环境的射频干扰非常嘈杂,GPS接收IC往往会受其影响而导致接收性能下降;除此之外,由于受手机PCB布线局限,GPS贴片天线一般距离接收IC较远,两者之间的PCB走线插损也对系统性能造成了不可忽视的影响。
  改进方案则加入了SAW滤波器和AW5005 GPS前置低噪声放大器,SAW滤波器可以有效滤除带外射频信号的干扰,低噪声放大器则进一步降低了系统的噪声系数,有效的提高了系统性能。上海艾为电子技术有限公司推出了全新的GPS前置低噪声放大器AW5005,相对于传统方案,AW5005极为有效的提高了GPS系统性能,降低了复杂射频环境下的GPS系统设计难度。
  图2所示为没有AW5005和加入AW5005的GPS系统在不同灵敏度下的首次定位时间TTFF的区别。从图2可以看出,无论在高低灵敏度条件下,拥有AW5005的系统TTFF远远小于缺少AW5005的GPS系统。
  我们由公式(3)可知,接收IC前端的噪声系数会影响系统的灵敏度。对于图1中的改进方案,系统的级联噪声系数可由下式决定:
    (5)
  式(5)中,ILSAW为SAW滤波器的插损,NFLNA和PGLNA分别为LNA的噪声系数和功率增益,ILTRACE为走线插损,NFRX为接收 IC的噪声系数。从式(5)可知LNA的噪声系数直接影响灵敏度,在相同的灵敏度要求下,LNA噪声系数越小,首次定位时间也随之变小,其变化的趋势如图 3所示。同理TTFF随LNA的功率增益变化趋势如图所示,LNA的功率增益越大,TTFF越小,当LNA的增益较小时,TTFF的变化趋势较快;当 LNA的功率增益大于16dB时,TTFF受其影响变小。
  LNA之前的SAW滤波器可以有效的滤除带外的射频干扰。但是正如前文分析的,GPS的输入信号非常微弱,目前绝大多数的商用SAW滤波器的带外抑制都较为有限,即使经过SAW滤波器的干扰信号依然对GPS的输入信号造成了严重的影响,因此LNA的线性度就至关重要:在相同的输入信号强度下,线性度较差的LNA所需的首次定位时间要比线性度好的LNA长。按照带外干扰信号的类型来划分,主要有如下三种:
  (1)带外强干扰造成LNA增益下降,噪声系数上升。
  一般手机在GSM频段的最高发射功率可达33dBm,假定GSM天线到GPS/WLAN天线的隔离度为20dB(包括天线之间的VSWR失配),SAW 滤波器的带外抑制为30dB,则LNA输入端看到的最大输入信号功率为-17dBm,当手靠近手机时GSM天线的VSWR会发生明显变化,该强干扰信号的强度可能会高达-15dBm,如此强的干扰会导致LNA输入饱和,从而其功率增益和噪声系数会恶化,GPS系统性能受到严重影响。
  图4所示是TTFF随LNA的1dB压缩点P1dB的变化趋势。带外干扰强度为-15dBm,GPS系统的输入信号强度为-165dBm。从图中可以看出,即使P1dB高于带外干扰信号的强度,其首次定位时间TTFF仍然受到较大的影响;而当P1dB远高于带外干扰信号后TTFF受P1dB的影响变得微乎其微。AW5005可以提高高达-7.6dBm的1dB压缩点,远高于业界同类产品的水平,确保GPS系统不会因为带外强干扰而性能恶化。
  (2)带外双音信号经过LNA产生的三阶交调项(Inter-modulation)落在GPS带内。
  一个典型的例子是PCS-1900和GSM-1800的带外双音信号经过LNA后产生的交调项正好落在GPS带内。PCS-1900的发射频率为 1851MHz,发射功率为24dBm,假定发射天线距离GPS天线1米,从而在GPS天线处看到的干扰信号强度为-20dBm,经过滤波器在LNA输入端看到了功率为-60dBm。而GSM-1800的发射频率为1713MHz,发射功率为+36dBm,在GPS天线端看到的信号强度为21dBm,则经过滤波器后的强度为-19dBm。经过LNA后,该双音信号产生的三阶交调项频率为:2×1713MHz-1851MHz=1575MHz,正好落在 GPS信号带内,从而恶化了GPS系统的性能。等效到LNA输入端口看到的交调项强度可由下式表示:
  Pint=2PGSM+PPCS-2IIP3 (6)
  式(6)中PGSM和PPCS分别为双音信号的强度,IIP3为LNA的输入三阶交调点。而带内的干扰信号对GPS系统的信噪比影响如下式[5]:
    (7)
  式(7)中,C/N0为没有干扰信号时的系统载噪比(carrier-to-noise-density-ratio),Pin为LNA输入端口看到的输入信号强度,Q为扩频增益因子,窄带干扰时为1,宽带扩频干扰时为1.5,宽带噪声干扰时为2;Rb为GPS伪随机码率,当GPS信号为C/A码是Rb 等于1.023M,因此可以得到TTFF随LNA的IIP3指标变化趋势如下图所示。AW5005可提供高达+6.5dBm的三阶交调点IIP3,有效的减小了带外多个干扰源对GPS系统的影响。
  (3)带外宽带干扰可在单频强干扰的条件下产生互调项(Cross-modulation)落在GPS带内。
  除了双音信号的交调项,某个窄带强干扰(Blocker)和宽带干扰信号依然可以产生带内的互调项从而影响性能。比如,GPS手机邻近的移动设备无线局域网(WLAN)正在工作,最大发射功率为20dBm,则LNA输入端接收到的信号功率为:
    (8)
  式(8)中,F为WLAN发射源到手机GPS天线的衰减,λ为波长,BWWLAN和BWGPS分别为WLAN和GPS的信号带宽,假定d为1米,PTX 等于17dBm,由此计算得到LNA输入端接收到的WLAN信号强度约为-60dBm;另一强干扰源为GSM-1800,经过滤波器的强度为 -19dBm,从而得到互调项的强度如下式[6]:
    (9)
  式(9)中,PWLAN和PGSM分别为LNA输入端看到的WLAN和GSM信号强度,Cfactor为考虑到采用IIP3来表征互调的校准因子。将互调项代入式(7),并且考虑到宽带扩频信号干扰时的校准因子Q等于1.5,可以得到TTFF随IIP3的变化曲线如图6所示。LNA在IIP3分别等于 -5dBm和+5dBm时,首次定位时间最大相差15倍,由72秒减小至4.7秒。现在的移动设中,WLAN已经是标准配置,AW5005则让内置GPS 在WLAN的干扰信号下随时随地放心工作。




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