多模智能移動(dòng)終端中GSM和藍牙的共存性設計

作者：時(shí)間：2010-01-15 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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對于GSM子系統, 因為其發(fā)射功率遠大于藍牙子系統,對它的地,以及天線(xiàn)的參考地,都需要特別注意,著(zhù)重防止它造成的地彈噪聲對藍牙子系統的影響。再者,從電路設計方面考慮,一般藍牙和GSM的前端LNA輸入等都是差分的,要注意前端差分線(xiàn)的布線(xiàn)和匹配電路布局的對稱(chēng)性,從而提高共模抑制。如果實(shí)驗室有足夠的條件,建議分析GSM頻率分配方案和頻綜的架構,計算出本振和各個(gè)雜散頻率和交調分量是否正好落在某個(gè)藍牙的頻點(diǎn)上,然后采用cable傳導的方式,直接驗證并測試這些可疑頻點(diǎn)上GSM以最大功率工作時(shí)藍牙的性能。如果有特別差的頻點(diǎn),還需要有針對性地分析布局布線(xiàn)或電路設計時(shí)引入的板上耦合途徑。
3. 雙天線(xiàn)系統輻射和耦合
在智能手機這么狹小的空間中,尤其是GSM子系統普遍采用內置天線(xiàn)的情況下,兩個(gè)天線(xiàn)的距離進(jìn)一步縮短,因此耦合情況更加復雜。在這個(gè)方面,本文主要考慮GSM/藍牙天線(xiàn)耦合特性造成的鏈路預算問(wèn)題、藍牙和GSM兩個(gè)系統的收發(fā)頻帶濾波,以及GSM/藍牙天線(xiàn)的輻射模型。
前文已經(jīng)描述了GSM的最大輸出功率是＋33dBm,這會(huì )導致藍牙接收器的阻塞。假定兩個(gè)天線(xiàn)耦合因子是15dB,藍牙接收器設置在最大增益模式(藍牙弱信號情況)。同時(shí),因為GSM頻段離ISM頻段比較遠,所以主要考慮離ISM最近的DCS(1.8GHz)和PCS(1.9GHz)頻段。這兩個(gè)頻段的最大輸出功率都是30dBm。藍牙接收的ISM頻帶濾波器中心帶寬是2.442GHz,帶寬為100MHz,那么PCS的發(fā)射載波處于藍牙頻帶濾波器的約 3.4倍頻程處,DCS的發(fā)射載波處于藍牙頻帶濾波器約4.4倍頻程處?？紤]最近的PCS頻段,以德州儀器的BRF6100藍牙基帶＋收發(fā)器二合一芯片為例,其接收器1dB壓縮點(diǎn)是-26dBm,算上3dB的容限,在PCS頻段的輸入功率不能超過(guò)-29dBm。假設在最差情況下,兩個(gè)子系統天線(xiàn)的耦合系數只有-10dB,那么GSM子系統在PCS頻段以最大功率發(fā)射時(shí),藍牙的頻帶濾波器在PCS頻段上就需要有49dB的衰減,才能滿(mǎn)足藍牙接收器的帶外阻塞性能指標要求。如果在兩天線(xiàn)相互干擾較弱的情況下,雙模的天線(xiàn)耦合因子能降低到-15dB～-20dB,那么藍牙的接收前端聲表濾波器就只需要 44dB～39dB的衰減,便可以滿(mǎn)足藍牙接收鏈路預算的要求。
同樣,對于GSM子系統,也需要對藍牙輸出端對GSM造成的帶外干擾做抑制。如果考慮最接近ISM的PCS頻段,按照GSM帶內底噪-71dBm/100KHz的要求,PCS輸出噪聲功率密度為-121dBm/Hz。按PCS頻段Tx 濾波器的中心在Fo＝1.96GHz、帶寬為75MHz計算,藍牙芯片的NF是17dB,兩個(gè)子系統天線(xiàn)耦合因子按-20dB計算,那么在PCS輸出濾波器的3.6倍頻程處的ISM頻帶上,藍牙接收器的等效輸入噪聲為-157dBm/Hz。如果藍牙要求的耦合噪聲容限是-10dB的話(huà),對于GSM子系統, 為了滿(mǎn)足PCS最大輸出功率的要求,輸出頻段的ISM帶外抑制就應該達到26dB。
除了鏈路預算以外,在實(shí)際的系統設計階段,還發(fā)現可以對GSM 發(fā)射器的VCO的噪聲、I/Q調制器的噪聲以及內部PLL造成的頻率雜散多做些考慮。當然,這些難以直接計算,所以還是靠前面提及的板級設計隔離和屏蔽、合理的PCB走線(xiàn)及EMC設計來(lái)避免。同時(shí)要對藍牙易受干擾的接收頻點(diǎn)做實(shí)際測量。一般來(lái)說(shuō),輻射干擾的最差情況發(fā)生在連續GPRS操作時(shí),此時(shí)有可能同時(shí)阻塞藍牙的2個(gè)信道,導致誤包率上升,但是,考慮到連續GPRS和藍牙同時(shí)操作并非目前智能終端應用的主流(IP phone over GPRS還不太成熟),對實(shí)際性能影響不大,本文主要考慮單發(fā)單收的GSM話(huà)音業(yè)務(wù),這樣處理較為簡(jiǎn)便。對于GSM的Tx諧波,主要注意2階和3階分量, 它們一般落在藍牙的帶內,要注意按照上文的分析,給予足夠的衰減。
在實(shí)際設計中應該使藍牙和GSM子系統的頻帶濾波器各自在對方的帶內分別達到35dB和26dB以上的衰減,取得了較好的效果。
然而,一味引入更大衰減的頻帶濾波器也不是最好的選擇,這樣會(huì )增大帶內有用信號的插損,降低了實(shí)際的發(fā)射效率,增加了功耗,并可能帶來(lái)輸出功率不符合型號認證的問(wèn)題。所以從前面的分析可知,設法降低兩個(gè)子系統天線(xiàn)的耦合度,是一個(gè)更好的辦法。
本系統將兩個(gè)子系統和天線(xiàn)放置得盡可能遠,以增加物理空間損耗。同時(shí),在天線(xiàn)匹配電路的設計上,在藍牙端盡量采用高通濾波網(wǎng)絡(luò )來(lái)匹配,而GSM子系統的天線(xiàn)匹配策略采用低通網(wǎng)絡(luò )的方式,這樣達到了附加的抑制效果。有設備條件或者和專(zhuān)業(yè)天線(xiàn)廠(chǎng)家合作的情況下,還可以調整天線(xiàn)的極化和方向圖,比如讓GSM的天線(xiàn)處于XY平面,而藍牙天線(xiàn)極化方向處于XZ平面,在測試方向圖時(shí)注意觀(guān)察和調整,同時(shí)在設計天線(xiàn)擺放位置和電流流向時(shí)加以恰當考慮,也能對降低耦合因子有一定效果。選用盡量窄帶的天線(xiàn)也能減小兩個(gè)子系統天線(xiàn)間的耦合因子,但這會(huì )提高天線(xiàn)設計的難度。如果有條件可進(jìn)行仿真和計算,但是在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中,這些都以工程測試的結果為準。
4. 系統級共存設計考慮
對于這兩個(gè)子系統的供電設計,在開(kāi)發(fā)過(guò)程中首要考慮的是如何降低這兩個(gè)收發(fā)器之間開(kāi)關(guān)噪聲通過(guò)電源系統造成的耦合,然后是大功率的GSM發(fā)射時(shí)造成的電源瞬間壓降對藍牙系統的影響,最后就是地彈噪聲的處理。在各個(gè)電源處合理采用退耦電容是常識,而對于GSM子系統,因為對電源瞬態(tài)響應要求高,需要大幅加寬電源線(xiàn),并提供大的電容做穩壓。對于藍牙子系統,為了降低電源上的瞬態(tài)壓降,也需要盡量降低電源線(xiàn)阻抗,并提供大電容穩壓。在便攜系統設計中,走線(xiàn)密度往往過(guò)高,造成單獨電源面的制作比較困難,所以要注重電源線(xiàn)的布線(xiàn),讓它和主地之間的回流途徑盡可能靠近,如果電源線(xiàn)能走在主地的鄰接層,其EMI特性會(huì )更加理想。對于藍牙芯片供電,除了要采用高PSRR的LDO,還要注意這個(gè)穩壓器的布線(xiàn)優(yōu)化,并增大它的輸出電容,本文的做法是實(shí)際的電源優(yōu)化要在大功率工作的同時(shí)進(jìn)行,在工程實(shí)踐中調整。為了減小地彈噪聲,還要注意主地層的完整,以及前文提到的單獨做兩個(gè)射頻地或者其它分割策略。
對于系統頻率源的共享和分配,考慮到小體積的智能 移動(dòng)終端電路板面積極為緊張,因此最好能共享一個(gè)頻率源。此時(shí)要防止共源造成的噪聲和雜散傳導耦合,因此,必要的濾波和匹配是不可或缺的。同時(shí),要注意兩個(gè)子系統對頻率源的穩定性要求,通常,GSM子系統的頻率源在同步信道解調成功后是受控的,而藍牙子系統只是利用頻率源產(chǎn)生本振后,和同步信道簡(jiǎn)單匹配來(lái)判斷設備是否同步,并沒(méi)有特別的AFC機制來(lái)控制頻率源,所以,當GSM系統為了省電需要關(guān)閉GSM輸入的時(shí)鐘源而藍牙仍需要穩定工作時(shí),還需要設計一個(gè)簡(jiǎn)單合理的門(mén)控時(shí)鐘來(lái)提供請求與仲裁機制,以保證兩者都可以按需使用時(shí)鐘,而兩者都不用時(shí),系統能完成時(shí)鐘的關(guān)斷,同時(shí),GSM不工作時(shí)還需要保持時(shí)鐘源的穩定性,以滿(mǎn)足藍牙的初始時(shí)鐘穩定性要求。
結語(yǔ)
本文的智能終端設計,在常規的手機空間中滿(mǎn)足了GSM和藍牙型號認證發(fā)射和接收的各項指標要求,在GSM最大功率發(fā)射時(shí),也能在5～7米的距離內用藍牙耳機清晰地通話(huà),通過(guò)以上思路和措施,合理完成了這個(gè)雙模系統的共存性設計。本文總結了開(kāi)發(fā)過(guò)程中的思考方法和工程經(jīng)驗,希望起到拋磚引玉的作用,給無(wú)線(xiàn)便攜系統設計工程師提供一些參考。