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手机集成GPS的注意事项

2008-09-16 嵌入式在线收藏 | 打印

全球定位系统(GPS)是目前及下一代手机最受欢迎的新功能之一。运用GPS功能和相应的防火墙，人们可以判断自己当前的位置，寻找从当前位置到新地方的指导等。

用户的需求迅速增长，另外近期美国联邦通信委员会发布的E911条例也迫使厂商采用这一功能。

可是，集成这一新功能并非易事，给定相关临近的频率，大信号强度给手机(加30到33dBm给GSM)，同时相关的低信号给GPS(按次序减150dBm)。结合这个性能，同时保持手持设备小尺寸的特点，需集成电路，减小部件尺寸，机械工程和材料工程。无论如何，设计师需要付出很大的努力，以保证手机及添加功能的良好性能。

频率干扰器

手机用户现在可以挑选自己的手机服务商，有GSM、EDGE及UMTS。表1列举当前手机服务网络所使用的频率。发射频率为380MHz～2570MHz，接收频率为390MHz～2690MHz，同时GPS信号为1575.42MHz。正如表1所示，手机的发射频率1465MHz～1710MHz段未使用，接收频率1513MHz～1805MHz段未使用。GPS所使用频率正好在其中。然而，这一频段有大量噪声，GPS接收器灵敏度会降低。

为了降低噪声带宽，GPS接收器的输入应加过滤功能。大部分可与电子设备集成的GPS模块均带有过滤器，例如：声表面波(SAW)过滤器，模块中有相应的低噪声放大器。由于手机的天线和GPS的天线物理位置很接近，因此GPS输入端的噪音很大，远大于独立的GPS单元的状况。SAW过滤器的加入，可降低噪声对接收器灵敏度的影响。虽然过滤器的插入损耗将增加GPS接收器的噪声，但如果适当使用，它将完成全部所需的功能。

SAW过滤器是典型的过滤器，因其小，性能良好及易于使用。如图1所示，标准过滤器的尺寸是1.2mm×1.4mm×0.46mm。

用于GPS的SAW过滤器插入损耗为1.2dB，从而使噪音最小化。其他一些过滤器将在未来应用，如薄膜体声波谐振器(FBAR)和体声波(BAW)过滤器。FBAR五通道编码器当前用于GSM网络。五通道编码器有独立的端口，分别用于PCS接收带、PCS发射带、蜂窝接收带、蜂窝发射带、GPS及共有天线。在精细的电路板设计草图中，以上设备习惯用在有GPS模块的GSM手机里。

设计中需考虑的事项

适当的设计草图是结合GPS与手机系统成功的重要因素。GPS接收器高灵敏度，必须解码极低能耗信号。高灵敏性使它易受集成系统噪声的影响。这样的噪声应降低至最小，以致无法干扰GPS。划分防护罩的面积可帮助消除噪音。至关重要的一点是防护罩应接触地面。EM模型可用于商业上使用的2.5D及3D模拟器，以校验防护罩连接的基环所需的实际频率。仔细模拟基环，基于大小尺寸进行选择和基于近地面层进行选择，与主接地电源相互连接，将引导形成好的防护罩方案。

如何设计接地是一件重要的事项。通常，顶端地线用于一个或多个内部地面层。顶端地线可帮助孤立信号通到板的表层。在防护罩接地基环中应用完全同样的方式，这样可保证顶端地线完成所需任务。图2所示的是一个多层印刷电路板，它有2个地线层。

一般来说，电路板的接地是非常好的电路回流路径。不用期望这个回流路径没有一点儿电压差。即使在小的印刷电路板中，也存在多处的电压差。由于这个原因，具有射频收发器及数字处理器的印刷电路板一般必须为它们准备单独的接地。如果只有一种类型电路，一个接地层可能就足够了。

多个内部地线一般有两种处理方式。一种方式：各层采用同一接地。另一种方式：印刷电路板的每一层采用独立的接地，然后接入唯一的主电源接地端子。如果多层使用同一地线，各层接地没有电压差，同时将创造出噪音路径。

如上所述，PCB堆栈可采用独立的每一层接地，或数字和射频相互独立地接地。在这种情况下，我们不再为形成完美的同一地线而努力，而是将产生噪音的部分隔离，使它不再干扰其他部分。分接地将连接至主电源接地端子。主电源接地端子是各个独立接地相互接触的唯一点。这一技术对隔离电源供给带来的噪音非常有帮助，可使GPS电源供给不受干扰。

例如：GSM手机发射信号时，容易产生电源供给的噪音。某些GSM手机发射时，在577 μs内拖动2.2A电流。锂离子电池可作为好的手机电源，但更大容量的电池更好。无论如何，保持手机已有的小尺寸。很难获取更大容量的电池。结果是：手机发射时，将减低十分之几的电源供给。如果在手机接地与主电源接地端子间有阻抗，用于手机的接地面会变成噪音。保持各接地的独立，对隔离及减弱噪音干扰非常有益。

当TDD手机发射时，从电压来看，来自电池电源的电源块是一个巨大的噪音，将会减弱GPS的性能。使用专门的GPS电源块，或者是电路板堆栈中专门一层，或者是一层中孤立的一部分。这样可帮助实现GPS电源轨迹的干净。

旁路

如果没有恰当地处理GPS的电源供电回路，会出现一些问题。谨慎地设计电路板，可能有益于简化线路方案，但不可能灵敏部件总能远离噪音信号。选择旁路电容时，研究自谐振频率(SRF)及串联等效电阻(ESR)是重要的。有几个在线资源可帮助这方面的调查研究，例如：Murata的网站有免费下载的可用程序，用程序生成图3所示为S21电容的旁路信号接地的配置。选择最有效降低干扰信号的电容，可帮助削弱或消除电源通路上的干扰信号。

结论

集成一些设备到手机这样小尺寸的系统中，是一项具有挑战的工程。手机可产生相对巨大的射频输出信号，集成的设备用于接收相对低的射频信号。这种情况是设计者目前要面对的。过滤器的挑选，防护罩和旁路均有助于解决或最小化问题。全面理解电位干扰信号有益于过滤器的挑选。一份精细电路板接地部分的设计方案，将有助于降低噪音。设计有效的旁路，必须明白电容的频率限制。设计者必须理解印刷电路板上传播的频率，通路噪音如何产生电源，以便选择旁路电容。另一减弱噪音干扰的有效方法是使用干净的电源通路。把GPS电源层与其他电源层隔开，减弱噪音。通过使用以上方法，设计师能减少识别噪音源所花费的时间资源，削减噪声可用于建立印刷电路板。