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    低讯放大器的助力 微型GPS模组提高定位精度

    帖子创建时间:  2013年07月24日 15:51 评论:0 浏览: 114 投稿
    手机讯号和导航卫星系统讯号频率相近,容易造成卫星讯号杂讯干扰严重,进而影响定位及导航系统的精准度。针对此一设计挑战,半导体厂已开发出高整合度的一体成型微型化GPS模组方案,可同时兼顾尺寸、功耗和抗干扰性能。大多数智慧型手机已经可以支援导航卫星功能,导航卫星系统功能也将成为智慧型手机的一项标准功能,而愈来愈多的智慧型手机除可以支援美系全球卫星定位系统(GPS)外,还可以支援俄罗斯GLONASS和中国大陆北斗(COMPASS)系统。此外,平板电脑、数位相机和手表等可携式装置也逐渐支援多系统的全球导航卫星系统(GNSS)功能,足以见得导航卫星功能所带来的市场新商机。然而,把导航卫星功能整合至手机并非易事,因为手机讯号和导航卫星系统讯号的频率相近,同时手机讯号强度相对较高(全球行动通讯系统(GSM)手机为30?33dBm),而接收到的卫星讯号功率强度可低于-130dBm,常会面临杂讯干扰(Jamming)问题,这个干扰会产生许多杂讯足以遮蔽卫星讯号,进而构成导航卫星系统接收机灵敏度的挑战。导航卫星模组首重抗干扰性能为整合导航卫星功能并维持小尺寸设计,设计工程师对于整合电路和缩小元件尺寸等的需求会愈来愈高。使用可以支援导航卫星功能的模组会是其中一个可行的解决方案(图1)。本文将就微型化导航模组设计之要点做探讨与剖析。下载 (84.84 KB)图1 导航卫星模组方块图,其中,滤波器可衰减频带外的干扰,射频输入接脚的ESD Diode提供IEC ESD接触式放电 ...2013-5-15 14:54在智慧型手机或平板电脑的应用领域中,由于存在讯号强度相对较高的手机讯号以及现在众多无线通讯标准,如长程演进计画(LTE)Band-13、GSM850/ 900/1800、通用行动通讯系统(UMTS)和无线区域网路(WLAN)。各种强度相对较高的无线通讯讯号会混合产生落在GNSS接收频段上的谐波产物,例如GSM 1712.7MHz和UMTS 1850MHz混合,会产生落在GNSS接收频段上的谐波产物、LTE Band-13二次谐波产物也会落在GNSS接收频段上、GSM 827/897和WLAN 2402/2472MHz混合也会产生落在GNSS接收频段上的谐波产物,再加上智慧型手机或平板电脑本身内部电路的运转,一些高频杂讯干扰源的来源通常来自时脉电路、切换式电源供应电路或显??示器中的驱动器电路,对于微弱GNSS讯号的接收造成很大的干扰,因此也必须注意导航卫星模组的抗干扰性能。由于现在为避免较强的手机讯号干扰到接收到的卫星讯号进而遮蔽卫星讯号,除在模组内置放表面声波(Surface Acoustic Wave, SAW)滤波器之外,也可以考虑置放陷波(Notch )滤波器,以增加对其他强度相对较高的无线通讯干扰讯号(787MHz/827MHz/897MHz/1712MHz/1850MHz/2402MHz/2472MHz)衰减。这些表面声波滤波器和陷波滤波器也必须被微调,以便于兼顾微型化导航卫星模组的低杂讯指数、增益、阻抗匹配和高抗干扰性能。下载 (31.07 KB)图2 非线性谐波产物2013-5-15 14:54内置于导航卫星模组的专门设计用来放大微弱GNSS讯号的低杂讯放大器(LNA),用以加强GNS??S讯号,改善全球卫星定位系统接收机灵敏度,但也须要考虑讯号强度相对较高的无线通讯讯号P1和P2(图2)。低杂讯放大器加强GNS??S讯号 由于非线性的低杂讯放大器会产生很高的谐波失真,这些谐波产物会落在GNSS接收频段上,也因此会降低全球卫星定位系统接收器的灵敏度,所以在选择低杂讯放大器时,可以使用线性度佳的低杂讯放大器,并将二阶互调(IM2)和输入三阶截止点(IIP3)的效能规格也纳入电路设计的考虑重点。LNA应用电路的线性特性参数除有输入三阶截止点和输入1dB压缩点(IP1dB)外,带外二阶互调和带外输入三阶截止点(IIP3OOB)也是重要的线性特性参数。使用图3的应用电路,LNA的IIP3可以达到-2.5dBm(图4),输入1dB压缩点可以达到-6.5dBm。这些较强的带外手机讯号经由耦合路径会干扰接收到的卫星讯号强度,因而遮蔽卫星讯号。例如GSM 1712.7MHz的手机讯号和UMTS 1850的手机讯号同时进入导航卫星模组前端时,也会产生出落在导航卫星系统接收频段上的谐波产物。因此在选择LNA时,高线性度的LNA可以减少此谐波产物,从而确保有较好的接收品质。在图3的应用电路输入端同时输入+10dBm的GSM 1712.7MHz手机讯号和UMTS 1850手机讯号,在输出端仅会产生+67.1dBm带外输入三阶截止点。在图3的应用电路输入端同时输入+12dBm的897MHz手机讯号和+12dBm的2472MHz无线区域网路WLAN讯号,在输出端也仅会产生-111.6dBm带外二阶互调。下载 (47 KB)图3 LNA应用电路图,其中,滤波器可衰减频带外干扰。2013-5-15 14:54下载 (101.23 KB)图4 LNA带外输入三阶截止点2013-5-15 14:54如图3的应用电路,在前端搭配使用表面声波滤波器和陷波滤波器,可以有效地抑制其他强度相对较高带外无线通讯干扰讯号(如LTE Band-13/GSM850/900/1800和UMTS ),以减少较高的谐波产物会落在导航卫星系统接收频段上,进而保证较好的接收品质。在图3应用电路的输入端输入+15dBm的LTE Band 13讯号,LNA输出端仅会产生-92dBm的LTE Band 13的二阶谐波产物。复杂/室内环境应用导航灵敏度性能须提高 无论是走路或开车,使用者常常会发现从全球卫星定位系统接收器接收到的卫星讯号强度会有不同的变化,在大楼与大楼间、建筑物内、浓荫的大树下或什至在复杂的高架桥下会导致讯号的衰减和中断,这时全球卫星定位系统讯号强度大约还会再衰减20或30dB。此外在某些区域会由于不明原因发生完全没有讯号的情况使得导航功能产生中断,进而可能造成在当下不知道该往哪里走的情况。因此,对于较复杂的使用环境和偏室内环境的应用来说,导航卫星模组的灵敏度要愈高愈好。就如图5所示,为确保全球卫星定位系统提供最佳的功能性,更要选用专门设计用来放大微弱的GNSS讯号的低杂讯放大器元件,当作全球卫星定位系统讯号受到建筑物干扰时的其中一种解决方案,亦可改善导航卫星模组的灵敏度。因此LNA的增益和低杂讯指数对于改善接收灵敏度品质亦是非常重要。业界采用矽锗(SiGe)技术的四频导航卫星系统毫米波积体电路(MMIC)LNA,具备15.8dB增益和0.74dB杂讯指数。
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