复杂射频干扰环境下的高灵敏度GPS系统设计（下） 解决方案, GPS系统, 灵敏度, 成本, 空间

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3 高性能GPS低噪声放大器对系统性能的提升#e#
　　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。