高線(xiàn)性度LNA模塊減少GPS中的干擾

　全球定位系統(GPS)是由運行在6個(gè)地球軌道上的24顆衛星組成的導航系統，無(wú)論身在何處GPS都可以幫助用戶(hù)精確地確定所處的位置。

　　手機是集成GPS功能的理想產(chǎn)品。將GPS接收器集成到手機可以實(shí)現同步GPS(S-GPS)應用，此時(shí)的GPS接收器是與不同頻段的無(wú)線(xiàn)通信系統 (如PCS和蜂窩網(wǎng)絡(luò ))一起使用的。消費者希望具有GPS功能的手機能夠可靠地接收和放大衛星發(fā)射的信號，因為接收出錯將會(huì )導致位置信息的錯誤。遺憾的是，RF干擾信號通常會(huì )損害GPS信號的質(zhì)量。

　　系統內部干擾

　　GPS接收器與其它無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信發(fā)射器集成在同一線(xiàn)路板上使它很容易受系統內部信號干擾，從而降低了其靈敏度和線(xiàn)性度。當發(fā)射器處于發(fā)射模式時(shí)，部分發(fā)射信號會(huì )泄漏到GPS接收路徑上。接收器因此將面臨很高的總輸入功率，并可能導致接收器的后端電路飽和。這會(huì )導致接收器后端產(chǎn)生非線(xiàn)性信號，并使接收過(guò)程的信號產(chǎn)生錯誤。為了避免這種現象，需要阻止帶外發(fā)射信號進(jìn)入GPS接收路徑。因此要求GPS接收路徑具有很好的帶外發(fā)射信號抑制能力。通過(guò)對干擾信號的抑制，可以防止GPS芯片組由于強大的干擾功率而出現過(guò)載，并能為接收信號提供線(xiàn)性放大。

　　確保接收器的靈敏度和線(xiàn)性

　　設計師一般會(huì )在GPS低噪聲放大器(LNA) 兩端各放一個(gè)濾波器。在LNA前面的濾波器有助于抑制帶外信號，同時(shí)防止LNA進(jìn)入飽和狀態(tài)。這個(gè)濾波器必須具有很低的插入損耗。應該避免在LNA之前放一個(gè)高插損的濾波器，因為這樣會(huì )增加系統的噪聲系數。根據Friis公式，系統總噪聲系數主要取決于第一級的噪聲系數或損耗。LNA后面的濾波器則可以用來(lái)進(jìn)一步改善帶外抑制性能，以防止后級電路過(guò)載。

　　然而，圖2所示的噪聲計算中，即使LNA具備特別良好的噪聲系數(0.8dB)，但在其前面放置一個(gè)插入損耗低至0.5dB的前置濾波器則可降低級聯(lián)噪聲系數。只有當增益足夠高時(shí)，級聯(lián)噪聲系數才取決于第一級電路。第一級濾波器的負增益能夠使級聯(lián)噪聲系數降至1.35dB。因此，該解決方案有三個(gè)部件，包括兩個(gè)濾波器和一個(gè)LNA。

　　簡(jiǎn)化的S-GPS設計

　　上述方案可簡(jiǎn)化為只帶一個(gè)濾波器的解決方案，即把具有良好線(xiàn)性度的LNA作為第一級，把具有良好帶外抑制性能的濾波器作為第二級。本部分將詳細介紹適用作GPS接收器前端的“LNA-濾波器”模塊。其集成了低噪聲、高線(xiàn)性度的增強型假晶高電子遷移率晶體管(E-pHEMT)LNA和低插損的高帶外抑制的薄膜腔聲諧振器(FBAR)濾波器。這種組合可以形成兼具極好噪聲系數和良好線(xiàn)性度的前端。

　　E-pHEMT技術(shù)可以用來(lái)設計出高度線(xiàn)性的LNA;FBAR技術(shù)則用來(lái)設計高Q值的小型濾波器，使其具備非常陡峭的滾降或優(yōu)秀的帶外抑制性能。集成了FBAR濾波器的LNA模塊能夠對蜂窩和PCS頻段信號提供足夠的抑制，并有助于提升并行或并發(fā)GPS(S-GPS)工作的接收器性能。

　　高線(xiàn)性度的“LNA-濾波器”模塊可以處理高輸入功率而不會(huì )壓縮接收信號。因此，只要GPS路徑與PCS/蜂窩路徑之間有足夠的隔離度，LNA模塊前面的濾波器就可以省略。沒(méi)有前端濾波器，系統的噪聲系數就取決于LNA，可低至0.8dB。這種實(shí)現方法極大地改善了接收器的靈敏度。

　　由于濾波器的帶寬較窄，將LNA和濾波器集成還能使模塊的輸入阻抗看起來(lái)更集中(在Smith圖上的阻抗擴散較小)。與沒(méi)有后置濾波器的分離式LNA相比，該方案使得天線(xiàn)和輸入LNA模塊之間的阻抗匹配更加容易。單芯片解決方案還能確保更可靠和更一致的接收器性能。

　　分析和討論

　　圖3給出了由于帶外干擾而對GPS信號進(jìn)行增益壓縮測量所使用的測試設置。根據圖3表格所示的值設置PCS/蜂窩頻段信號的功率電平，以表示GPS路徑和PCS/蜂窩路徑之間的隔離范圍。1.575GHz GPS信號的輸入功率電平固定為-35dBm，而PCS/蜂窩功放的輸出功率為+24dBm。供應不同的輸入功率電平給LNA模塊(或GPS天線(xiàn))輸入端可改變隔離電平。模塊輸入端干擾源產(chǎn)生的輸入功率部分可以用以下公式計算：
GPS天線(xiàn)輸入功率=干擾信號功率電平-隔離度

　　例如，當GPS路徑和PCS/蜂窩路徑之間的隔離度為15dB時(shí)，GPS天線(xiàn)處干擾源的輸入功率電平經(jīng)計算為+9dBm。GPS和(PCS/蜂窩)干擾信號通過(guò)功率組合器結合在一起。

　　在不同隔離電平時(shí)測得的GPS信號增益壓縮值如圖4所示。從測量結果看，為了避免GPS信號受到干擾信號功率的壓縮，GPS路徑和PCS/蜂窩路徑需要有40dB的隔離度。這意味著(zhù)只要在GPS和PCS/蜂窩路徑之間存在40dB的隔離度，濾波器-LNA-濾波器解決方案就可以用這種LNA模塊替代。

　　參考圖1和圖3，當PCS功放輸出+24dBm的功率，GPS和PCS路徑之間的隔離度為40dB時(shí)，從干擾信號泄漏到GPS接收器芯片組的功率電平的計算公式為：

　　圖1：接收前端的簡(jiǎn)化框圖。

　　圖2：“濾波器-LNA-濾波器”模型GPS接收器的噪聲計算。

　　圖3：帶外抑制性能的測量設置。

　　GPS芯片組干擾功率電平=PCS前端放大輸出功率-GPS和PCS路徑之間的隔離度-LNA模塊帶內抑制=+24dBm-40dB-(54dBc-13dB)=-57dBm

結論和實(shí)現

　　LNA模塊有效地阻止了PCS信號泄漏進(jìn)GPS芯片組。當GPS路徑和PCS路徑之間的隔離度為40dB時(shí)，干擾功率可以低至-57dBm。通過(guò)合理的安排和設計，LNA模塊解決方案可以替代“濾波器-LNA-濾波器”解決方案，后者噪聲系數更高和架構更復雜，而這種單芯片組解決方案則可提供優(yōu)良的系統噪聲系數和高線(xiàn)性度，同時(shí)還能提供極佳的帶外抑制。另外，該LNA模塊能在保持GPS接收器良好性能的同時(shí)，向設計師提供簡(jiǎn)單、緊湊和低制造成本的解決方案。由于網(wǎng)絡(luò )匹配設計簡(jiǎn)單，因此設計周期也較短。

　　為了達到40dB的隔離度，可以使用雙天線(xiàn)解決方案。通過(guò)雙天線(xiàn)解決方案，GPS信號可以具有一個(gè)獨立于PCS/蜂窩信號的路徑或鏈，從而達到40dB的隔離度。圖5給出的是雙天線(xiàn)設計的方框圖。

　　圖4：不同干擾頻帶天線(xiàn)隔離度下的GPS增益壓縮。

　　圖5：最新的射頻IC增加了足夠多的邏輯，因此可認為是SoC。