便攜式導航設備中GPS設計問(wèn)題分析

眾所周知，如果設計工程師缺乏對基本硬件/射頻設計和電磁干擾(EMI)問(wèn)題的理解，那么其設計出的便攜式導航設備(PND)、個(gè)人數字助理(PDA)、功能手機和智能手機設備中的GPS性能將將大打折扣。這其中的根本原因，就在于進(jìn)行了不良的天線(xiàn)設計/選擇，或者是無(wú)法處理內部EMI干擾。

在開(kāi)放的天空環(huán)境中，GPS信號功率電平標稱(chēng)值是-125dBm，如果打個(gè)比方的話(huà)，這就相當于人在芬蘭去眺望一盞在日本點(diǎn)亮的60W燈泡(如果能看得到的話(huà))。GPS信號電平比1W(+30dBm)的GSM發(fā)射器還要低160dB左右，因此我們常說(shuō)它是一個(gè)非常微弱的信號，幾乎不允許接收器設計出現任何差錯。

-125dBm信號電平基本上對應于50dBHz的SNR(信噪比或C/No)。不良的天線(xiàn)設計和EMI問(wèn)題能使SNR減少幅度達15-20dB，這意味最大的SNR只有30-35dBHz。如此低的SNR對性能有很大的影響，因為對衛星數據的解碼將變得異常困難。用戶(hù)對此的感受是啟動(dòng)時(shí)間(TTFF)很長(cháng)，總體性能極差，如位置跳動(dòng)或速度漂移，更壞的情況是根本無(wú)法定位。

天線(xiàn)設計

選取便攜式設備中GPS天線(xiàn)的準則之一是尺寸，對于尺寸受限的功能手機和智能手機而言更是如此。大多數常用的天線(xiàn)是GPS片狀(patch)天線(xiàn)，因為它們相對容易調諧，性能較好。

GPS L1信號是一種RHCP極化信號，頻率為1.575GHz，波長(cháng)為19cm。這樣的波長(cháng)顯然需要很大的天線(xiàn)，除非在電氣方面做得更短。這種天線(xiàn)一般用?r>1的陶瓷材料制作。?r越高，器件就可以做得越小。然而提高?r會(huì )影響天線(xiàn)的輻射效率，當在小塊接地面(ground plane)上安裝小型片狀器件時(shí)影響更大。如此小的天線(xiàn)將變成線(xiàn)性極化，而不是右旋圓形極化(RHCP)，因此會(huì )造成3dB的極化損失。有關(guān)片狀天線(xiàn)的經(jīng)驗是越大越好，不僅是指器件本身，還有器件下面的接地面。沒(méi)有比在70x70mm接地面上安裝25x25mm的片狀器件更好的了，但這顯然不是便攜式設備的可行選擇，因此必須選擇更小的天線(xiàn)。

在10x10mm接地面上安裝10x10mm片狀器件就是一種不良的天線(xiàn)選擇，這種天線(xiàn)雖然小巧便利，但由于上述原因，總損耗將達10dB左右，從而使最大SNR只有40dBHz，這還不算EMI干擾的情況。

Fastrax公司可以為用戶(hù)提供許多種天線(xiàn)設計，公司甚至為包括環(huán)形天線(xiàn)到Helical天線(xiàn)在內的各種項目設計過(guò)定制天線(xiàn)。

EMI問(wèn)題

從GPS角度看，EMI就是GPS頻率上有害的寬頻噪聲。便攜式設備中經(jīng)常會(huì )發(fā)生EMI。有趣的是，EMI噪聲雖然通常都會(huì )低于任意的EMC要求指標，但卻足夠干擾到GPS信號。

重要的是，EMI會(huì )增加GPS頻率上的噪聲電平，最終導致SNR降低。在GPS接收端根本無(wú)法減少EMI，必須在源頭對EMI進(jìn)行抑制。EMI進(jìn)入接收器有兩種方式，一種是傳導(通過(guò)導線(xiàn))，一種是輻射(通過(guò)天線(xiàn))。輻射的EMI通常更糟。

便攜式設備中的輻射EMI一般在10-20dB之內，它將降低同樣數值的SNR，因此盡量減小EMI以保持良好的GPS性能至關(guān)重要。

圖1是典型的EMI案例(臺灣PDA)。在不加任何修改的情況下用戶(hù)只能獲得30dBHz的SNR。Fastrax公司可以幫助設計師定位產(chǎn)生EMI的源頭，并將它降低到接近零。

基本上，Fastrax測試過(guò)的具有高速CPU和高速存儲器總線(xiàn)的所有便攜式設備都存在EMI問(wèn)題。但是，如果硬件工程師能夠牢記以下四點(diǎn)，就可以避免最為典型的系統設計錯誤，從而對EMI進(jìn)行有效抑制，這四點(diǎn)就是：

使用統一的[d1]接地面

使用射頻屏蔽罩

盡量減少導線(xiàn)數量

避免GPS頻率點(diǎn)的時(shí)鐘諧波

我們的目標是對PCB和器件本身使用法拉弟盒，從而將噪聲保持在里面。

在設計中，最常見(jiàn)的錯誤是硬件設計師在PCB上分割接地面，一個(gè)模擬地，一個(gè)數字地，一個(gè)射頻地等等。這是由于許多電子書(shū)藉如今仍在鼓勵使用獨立的接地面!這完全是錯誤的。再也沒(méi)有比所有電子器件共用一個(gè)接地面更好的了。如果非要分割的話(huà)，根據射頻對偶定理，接地面的開(kāi)路處將作為小型天線(xiàn)輻射出噪聲。

第二大錯誤是電子器件沒(méi)有屏蔽，這意味著(zhù)器件本身將輻射噪聲。將所有電子器件置于射頻屏蔽罩內可以很容易地解決這個(gè)問(wèn)題。

EMI的另外一個(gè)潛在源是導線(xiàn)，例如揚聲器和麥克風(fēng)的導線(xiàn)，它們同樣會(huì )像天線(xiàn)一樣輻射EMI。一個(gè)很好的建議，是在這些導線(xiàn)上增加18pF的去耦電容。

最后要避免時(shí)鐘諧波落進(jìn)GPS頻段。例如時(shí)鐘頻率是7.5MHz，那么它的210次諧波將正好是GPS的頻率。

從解決EMI問(wèn)題的角度來(lái)看，遵循這些簡(jiǎn)單的EMI指導建議可以讓用戶(hù)實(shí)現更優(yōu)秀的硬件設計。

F1：

F2：避免分割接地面

F3 ：使用射頻屏蔽罩[d2]