标题: 复杂射频干扰环境下的高灵敏度GPS系统设计 [打印本页]
作者: forsuccess 时间: 2015-3-2 23:04 标题: 复杂射频干扰环境下的高灵敏度GPS系统设计
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 系统TTFF随LNA 1dB压缩点的变化曲线
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。
图5 交调干扰下系统TTFF随LNA 三阶交调点的变化曲线
（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。
图6 互调干扰下系统TTFF随LNA 三阶交调点的变化曲线4 AW5005同国内外同类产品的比较
通过上文，我们了解了LNA的噪声系数NF和线性度指标P1dB/IIP3对GPS系统的性能影响至关重要。下面我们通过与国内外同类竞争产品的比较来让读者更深刻的认识AW5005的优势。无论是噪声系数NF，还是线性度指标P1dB/IIP3，AW5005都达到了业界领先水平，大大简化了复杂射频环境下内置GPS系统的设计要求。
这里值得一提的是，设计LNA模块时必须考虑功率增益PG和IIP3的折中，高功率增益往往线性度较差。现实中，通常采用OIP3指标来衡量模块的线性度指标更为准确和可靠。图7中列举了国内外同类产品的OIP3指标，AW5005依然在同类型产品中领先。
图7 同类型LNA产品性能参数对比
为了衡量LNA的综合性能，文献［8］给出了优值计算公式来进行更为公平的比较。该公式如下所示：
（10）
由此得到的各个相关产品和AW5005的优值如图8所示。AW5005以22.6dB的最高分，比同类产品高2～10dB不等。由此可见，AW5005将是手机内置GPS系统设计者和供应商们的首选。
图8 同类型LNA产品综合优值对比
5 线性度传导测试案例
为了体现线性度在整体测试环境中的优势，我们搭建了如图9所示的传导测试平台，用来测试在干扰环境下的GPS整机性能。如图所示，该测试平台包括两个不同频率的干扰源，可以用来模拟产生三阶交调的干扰信号（如1.713GHz的UMTS频段的和1.851GHz的GSM1800频段），以及二阶交调的干扰信号（如824M的GSM频段和2.4GHz的ISM频段等
图9 干扰环境下的整机传导测试
GPS信号源用来产生模拟GPS系统的8颗卫星信号，随后经过一个高线性度的宽带Diplexer功率合成输出到样机的天线馈点处。GPS系统采用国内某厂商试产样机，对比芯片采用国内M公司的主打产品（简称为M），干扰信号源频率分别为1713MHz的UMTS频段和1851的GSM1800频段，当 GPS信号功率强度分别为-128dBm（左图）和-143dBm（右图）时不同干扰功率下的信噪比对比。
图10 干扰环境下AW5005同同类型芯片M的整机传导测试
从图10可以得出结论，当GPS信号功率为-128dBm时，AW5005的抗干扰能力明显强于M：当等效干扰信号强度为-82dBm时，采用 AW5005的整机要比采用M芯片的整机载噪比高14dB，随后M芯片的整机无法有效跟踪GPS信号，进入失效状态，而采用AW5005的整机仍然能够准确定位，知道有效干扰信号强度为-69dBm时才进入失效状态。相比M芯片，AW5005的抗干扰能力高达13dB。同理当GPS信号为-143dBm 时，AW5005的抗干扰能力为14dB，最高载噪比优势为4dB。图10中的下图分别为不同GPS信号功率时AW5005的载噪比优势。
由于干扰信号的的频率和来源较为复杂，其对整机GPS传导性能的影响此处不再赘述，上述情况仅为一典型案例，其它情形可基于干扰环境下的整机传导测试平台进行相关测试。由上所述，AW5005的抗干扰能力在国内外同类产品中具有较为明显的优势，尤其适合用于基带和射频干扰信号较多的智能机解决方案中。
6 结论
随着便携式设备的爆发性成长，手机环境中的射频干扰日益嘈杂，内置的GPS系统面临着越来越严峻的挑战。GPS低噪声放大器产品AW5005，有效的解决了上述问题。与传统的GPS LNA方案相比，AW5005提供了更低的噪声系数、更好的线性度、更快的交货时间和更有竞争力的性能。
| 欢迎光临 电子技术论坛_中国专业的电子工程师学习交流社区-中电网技术论坛 (http://bbs.eccn.com/) |
Powered by Discuz! 7.0.0 |