利用高线性度LNA模块减少GPS设备中的干扰

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利用高线性度LNA模块减少GPS设备中的干扰 [复制链接]

全球定位系统(GPS)是由运行在6个地球轨道上的24颗卫星组成的导航系统，无论身在何处GPS都可以帮助用户精确地确定所处的位置。GPS系统最初用在军事上，20世纪80年代开始进入民用领域。自此以后，GPS作为一种求生和导航工具开始变得流行起来。制造商已将GPS接收器集成进各种便携式电子产品中，这些产品通常具有诸如汽车或无线设备的移动连接能力。 手机是集成GPS功能的理想产品。将GPS接收器集成到手机可以实现同步GPS(S-GPS)应用，此时的GPS接收器是与不同频段的无线通信系统(如PCS和蜂窝网络)一起使用的。消费者希望具有GPS功能的手机能够可靠地接收和放大卫星发射的信号，因为接收出错将会导致位置信息的错误。遗憾的是，RF干扰信号通常会损害GPS信号的质量。

系统内部干扰

GPS接收器与其它无线移动通信发射器集成在同一线路板上使它很容易受系统内部信号干扰，从而降低了其灵敏度和线性度。当发射器处于发射模式时，部分发射信号会泄漏到GPS接收路径上。接收器因此将面临很高的总输入功率，并可能导致接收器的后端电路饱和。这会导致接收器后端产生非线性信号，并使接收过程的信号产生错误。为了避免这种现象，需要阻止带外发射信号进入GPS接收路径。因此要求GPS接收路径具有很好的带外发射信号抑制能力。通过对干扰信号的抑制，可以防止GPS芯片组由于强大的干扰功率而出现过载，并能为接收信号提供线性放大。

确保接收器的灵敏度和线性

设计师一般会在GPS低噪声放大器(LNA)两端各放一个滤波器。在LNA前面的滤波器有助于抑制带外信号，同时防止LNA进入饱和状态。这个滤波器必须具有很低的插入损耗。应该避免在LNA之前放一个高插损的滤波器，因为这样会增加系统的噪声系数。根据Friis公式，系统总噪声系数主要取决于第一级的噪声系数或损耗。LNA后面的滤波器则可以用来进一步改善带外抑制性能，以防止后级电路过载。 然而，图2所示的噪声计算中，即使LNA具备特别良好的噪声系数(0.8dB)，但在其前面放置一个插入损耗低至0.5dB的前置滤波器则可降低级联噪声系数。只有当增益足够高时，级联噪声系数才取决于第一级电路。第一级滤波器的负增益能够使级联噪声系数降至1.35dB。因此，该解决方案有三个部件，包括两个滤波器和一个LNA。

简化的S-GPS设计

上述方案可简化为只带一个滤波器的解决方案，即把具有良好线性度的LNA作为第一级，把具有良好带外抑制性能的滤波器作为第二级。本部分将详细介绍适用作GPS接收器前端的“LNA-滤波器”模块。其集成了低噪声、高线性度的增强型假晶高电子迁移率晶体管(E-pHEMT)LNA和低插损的高带外抑制的薄膜腔声谐振器(FBAR)滤波器。这种组合可以形成兼具极好噪声系数和良好线性度的前端。 E-pHEMT技术可以用来设计出高度线性的LNA；FBAR技术则用来设计高Q值的小型滤波器，使其具备非常陡峭的滚降或优秀的带外抑制性能。集成了FBAR滤波器的LNA模块能够对蜂窝和PCS频段信号提供足够的抑制，并有助于提升并行或并发GPS(S-GPS)工作的接收器性能。 高线性度的“LNA-滤波器”模块可以处理高输入功率而不会压缩接收信号。因此，只要GPS路径与PCS/蜂窝路径之间有足够的隔离度，LNA模块前面的滤波器就可以省略。没有前端滤波器，系统的噪声系数就取决于LNA，可低至0.8dB。这种实现方法极大地改善了接收器的灵敏度。 由于滤波器的带宽较窄，将LNA和滤波器集成还能使模块的输入阻抗看起来更集中(在Smith图上的阻抗扩散较小)。与没有后置滤波器的分离式LNA相比，该方案使得天线和输入LNA模块之间的阻抗匹配更加容易。单芯片解决方案还能确保更可靠和更一致的接收器性能。

图3给出了由于带外干扰而对GPS信号进行增益压缩测量所使用的测试设置。根据图3表格所示的值设置PCS/蜂窝频段信号的功率电平，以表示GPS路径和PCS/蜂窝路径之间的隔离范围。1.575GHz GPS信号的输入功率电平固定为-35dBm，而PCS/蜂窝功放的输出功率为+24dBm。供应不同的输入功率电平给LNA模块(或GPS天线)输入端可改变隔离电平。模块输入端干扰源产生的输入功率部分可以用以下公式计算： GPS天线输入功率＝干扰信号功率电平－隔离度 例如，当GPS路径和PCS/蜂窝路径之间的隔离度为15dB时，GPS天线处干扰源的输入功率电平经计算为+9dBm。GPS和(PCS/蜂窝)干扰信号通过功率组合器结合在一起。 在不同隔离电平时测得的GPS信号增益压缩值如图4所示。从测量结果看，为了避免GPS信号受到干扰信号功率的压缩，GPS路径和PCS/蜂窝路径需要有40dB的隔离度。这意味着只要在GPS和PCS/蜂窝路径之间存在40dB的隔离度，滤波器-LNA-滤波器解决方案就可以用这种LNA模块替代。 参考图1和图3，当PCS功放输出+24dBm的功率，GPS和PCS路径之间的隔离度为40dB时，从干扰信号泄漏到GPS接收器芯片组的功率电平的计算公式为：

图1：接收前端的简化框图。

图2：“滤波器-LNA-滤波器”模型GPS接收器的噪声计算。

图3：带外抑制性能的测量设置。

GPS芯片组干扰功率电平＝PCS前端放大输出功率－GPS和PCS路径之间的隔离度－LNA模块带内抑制＝+24dBm－40dB－(54dBc－13dB)＝-57dBm

结论和实现

LNA模块有效地阻止了PCS信号泄漏进GPS芯片组。当GPS路径和PCS路径之间的隔离度为40dB时，干扰功率可以低至-57dBm。通过合理的安排和设计，LNA模块解决方案可以替代“滤波器-LNA-滤波器”解决方案，后者噪声系数更高和架构更复杂，而这种单芯片组解决方案则可提供优良的系统噪声系数和高线性度，同时还能提供极佳的带外抑制。另外，该LNA模块能在保持GPS接收器良好性能的同时，向设计师提供简单、紧凑和低制造成本的解决方案。由于网络匹配设计简单，因此设计周期也较短。 为了达到40dB的隔离度，可以使用双天线解决方案。通过双天线解决方案，GPS信号可以具有一个独立于PCS/蜂窝信号的路径或链，从而达到40dB的隔离度。图5给出的是双天线设计的方框图。

图4：不同干扰频带天线隔离度下的GPS增益压缩。

图5：最新的射频IC增加了足够多的逻辑，因此可认为是SoC。

作者：Chew Ean Tan