多模智能移動(dòng)終端中GSM和藍牙的共存性設計

引言
GSM和藍牙作為兩種不同的無(wú)線(xiàn)制式,在智能手機空間非常緊湊且PCB狹小的情況下,要求在實(shí)時(shí)語(yǔ)音業(yè)務(wù)中同時(shí)滿(mǎn)足收發(fā)工作,由GSM 收發(fā)子系統完成從智能終端到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的話(huà)音接入服務(wù),由藍牙收發(fā)子系統完成從智能終端到藍牙無(wú)線(xiàn)耳機或者車(chē)載免提的短距離語(yǔ)音服務(wù),就必然存在共存性設計問(wèn)題。本文基于在某智能移動(dòng)終端產(chǎn)品設計中的工程實(shí)踐,總結了設計多模無(wú)線(xiàn)共存系統的理論考慮和工程上的分析思路。

系統設計思路
對于純粹的分立GSM和藍牙系統來(lái)說(shuō),因為頻段相距較遠,在同一時(shí)段內只有一個(gè)是大功率發(fā)射,而另一個(gè)是微功率發(fā)射系統,其共存性的設計挑戰并不像 IEEE802.11b/g和藍牙系統共存那么嚴峻。但是,由于在多模智能移動(dòng)終端中,緊湊的電路板和布局使傳導性干擾和噪聲耦合更加強烈。移動(dòng)終端內置 GSM天線(xiàn)成為潮流,而傳統的藍牙PCB天線(xiàn)或陶瓷貼片天線(xiàn)也是內置的情況下,則在整個(gè)狹小的空間內裝備了兩個(gè)同時(shí)工作的天線(xiàn)。移動(dòng)臺在各種惡劣環(huán)境和復雜的無(wú)線(xiàn)信道中都必須滿(mǎn)足的實(shí)時(shí)通信需求,以及藍牙耳機要求藍牙設備和GSM系統同時(shí)收發(fā)的應用特性,這些因素共同造成了GSM和藍牙在多模移動(dòng)終端中的共存性設計仍要面對工程性的困難和挑戰。
在設計移動(dòng)終端的實(shí)踐中,首先要考慮無(wú)線(xiàn)接口,兩種制式同時(shí)工作時(shí),相互的收和發(fā)是否存在干擾。然后考慮電路設計,即這兩個(gè)子系統在如此緊湊的電路板和高密度的布線(xiàn)中,GSM系統的收發(fā)器架構和頻率規劃與藍牙子系統的關(guān)系造成的頻率源,濾波,屏蔽方面的考慮。此外,作為無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備,在緊湊的空間中,這兩個(gè)制式的天線(xiàn)耦合特性和輻射模型造成的共存性問(wèn)題也要妥善解決。最后還要考慮兩個(gè)子系統的電源供電思路,以及可能存在的系統頻率源的共享和分配方案。

GSM和藍牙雙模系統
共存的考慮要素
1. 對于雙模收發(fā)頻段的相互干擾,主要考慮兩個(gè)方面,藍牙發(fā)射帶外雜散對GSM接收帶內的影響和GSM發(fā)射帶外雜散對藍牙接收帶內的影響。
藍牙的射頻系統工作在2.4GHz的ISM頻段,對于工作在850MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz的GSM來(lái)說(shuō),這個(gè)頻帶間距似乎都是安全的。然而,在不低于-102dBm的接收靈敏度容限下,典型的GSM手機在天線(xiàn)輸入端只在最大為-111dBm的雜散信號存在,且同頻載干比C/I 不超過(guò)-9dB時(shí),才能保證GSM接收性能不會(huì )有損失。在實(shí)際系統中,如果根據經(jīng)驗假定GSM和藍牙天線(xiàn)之間的空間損耗在10～15dB左右,就意味著(zhù)只要藍牙發(fā)射器(在藍牙天線(xiàn)端測量到的)在GSM全頻段上的最大發(fā)射帶外雜散不超過(guò)－101～-96dBm,GSM子系統的接收性能就能得以保證。
然而在藍牙BQB認證時(shí),在GSM帶內的雜散指標要求的標竿是遠高于此的,就是說(shuō),只滿(mǎn)足BQB藍牙測試的發(fā)射器要求,未必能達到不使共存的GSM系統接收性能惡化的要求。因此,在設計藍牙子系統時(shí)要格外當心。首先,芯片設計廠(chǎng)家會(huì )采取措施防止強的本振信號和各階交調分量落在GSM頻段內,同時(shí),在板級設計的布局布線(xiàn)時(shí)也要注意隔離和防止泄漏。另外,有些比較優(yōu)秀的藍牙芯片設計公司,還采用了主動(dòng)引入頻率源時(shí)鐘抖動(dòng)的方式,通過(guò)頻譜擴展,相對于普通方波頻率源輸入,將GSM帶內的雜散功率譜密度降低了至少10dB。
再來(lái)看GSM發(fā)射器對藍牙接收器的影響。雖然接收靈敏度的要求是-70dBm,但業(yè)界的藍牙芯片都可以達到-80dBm,甚至更好的指標。一般鑒頻器的C/I單音需求是優(yōu)于-18dB的。因此,從藍牙天線(xiàn)端來(lái)看,其要求能容許的最大帶內單音干擾是-98dBm左右。同樣假定這個(gè)雙模終端中GSM天線(xiàn)到藍牙天線(xiàn)的空間損耗是10～15dB,這樣,GSM天線(xiàn)上測量到的處于藍牙帶內的發(fā)射雜散就不能超過(guò)-88～-83dBm。在GSM的FTA認證中,其EMI指標在ISM帶內的發(fā)射雜散容限標竿同樣比這個(gè)寬松。
因此,如果只滿(mǎn)足GSM 發(fā)射器要求,可能會(huì )造成共存系統中藍牙接收器的性能惡化。故必須謹慎地分析GSM子系統的本振和頻綜的架構,并采取其它方式,盡可能消除本振泄漏和一些高階分量對藍牙接收帶內的影響,特別是GSM子系統工作在PCS頻段的時(shí)候。根據實(shí)際設計的情況,考慮過(guò)增加Tx聲表濾波器來(lái)提高帶外的抑制度,加強子系統的隔離,但同時(shí)又需要考慮由此引發(fā)的其它發(fā)射功率和效率問(wèn)題。
2. 對于板級設計的頻率隔離,濾波和屏蔽,本文主要考慮三個(gè)方面,包括藍牙本振相噪對GSM相應頻點(diǎn)的影響,GSM和藍牙子系統的屏蔽以及GSM系統的射頻架構和頻率規劃與藍牙子系統的關(guān)系。
前面已經(jīng)提到過(guò)兩個(gè)子系統在對方頻帶中的雜散所造成的危害,實(shí)際上有些時(shí)候板上的耦合途徑比天線(xiàn)的耦合造成的影響更大。所以本系統開(kāi)發(fā)時(shí)首先分析了板級設計中的耦合途徑。第一是GSM功率放大器到藍牙接收器前端的耦合,或者是GSM/藍牙發(fā)射信號有泄漏,以某種方式通過(guò)GSM和藍牙系統之間的PCM接口或者 UART互連線(xiàn)直接耦合到對方系統中。如果不謹慎處理PCB走線(xiàn)時(shí)的EMI設計,這些接口數據線(xiàn)的天線(xiàn)效應可能會(huì )是板上輻射耦合的重要來(lái)源。第二,GSM 子系統的本振信號有可能通過(guò)某些高速信號線(xiàn),如存儲器總線(xiàn)等泄漏出來(lái),將開(kāi)關(guān)噪聲或雜散引入到藍牙子系統。第三,GSM和藍牙子系統之間的共電源和共地也要合理的考慮,防止電源和地造成的帶內雜散的相互耦合和干擾。
對于這些板級耦合干擾問(wèn)題,本文采取以下思路來(lái)處理。首先盡量將兩個(gè)子系統的距離拉遠些,這樣也方便留出足夠的空間來(lái)制作屏蔽罩,以實(shí)現空間上的屏蔽和隔離;另一個(gè)考慮是用屏蔽的方式將強發(fā)射信號和弱信號分開(kāi)。這兩個(gè)子系統的射頻部分都適合單獨做一個(gè)地,再分別連到系統的主地上,以減小共地造成的耦合。對于系統的主地,要盡量降低其阻抗,在選取一個(gè)盡量大的、完整的地平面的同時(shí),還要在射頻信號途徑旁邊的地上,多采用過(guò)孔來(lái)降低回流途徑的阻抗,并減小完整信號從出發(fā)到終止點(diǎn)的路徑所包圍的面積,降低天線(xiàn)效應。