多模智能移動終端中GSM和藍(lán)牙的共存性設(shè)計

作者：時間：2010-01-15 來源：網(wǎng)絡(luò)

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對于GSM子系統(tǒng), 因為其發(fā)射功率遠(yuǎn)大于藍(lán)牙子系統(tǒng),對它的地,以及天線的參考地,都需要特別注意,著重防止它造成的地彈噪聲對藍(lán)牙子系統(tǒng)的影響。再者,從電路設(shè)計方面考慮,一般藍(lán)牙和GSM的前端LNA輸入等都是差分的,要注意前端差分線的布線和匹配電路布局的對稱性,從而提高共模抑制。如果實驗室有足夠的條件,建議分析GSM頻率分配方案和頻綜的架構(gòu),計算出本振和各個雜散頻率和交調(diào)分量是否正好落在某個藍(lán)牙的頻點上,然后采用cable傳導(dǎo)的方式,直接驗證并測試這些可疑頻點上GSM以最大功率工作時藍(lán)牙的性能。如果有特別差的頻點,還需要有針對性地分析布局布線或電路設(shè)計時引入的板上耦合途徑。
3. 雙天線系統(tǒng)輻射和耦合
在智能手機(jī)這么狹小的空間中,尤其是GSM子系統(tǒng)普遍采用內(nèi)置天線的情況下,兩個天線的距離進(jìn)一步縮短,因此耦合情況更加復(fù)雜。在這個方面,本文主要考慮GSM/藍(lán)牙天線耦合特性造成的鏈路預(yù)算問題、藍(lán)牙和GSM兩個系統(tǒng)的收發(fā)頻帶濾波,以及GSM/藍(lán)牙天線的輻射模型。
前文已經(jīng)描述了GSM的最大輸出功率是＋33dBm,這會導(dǎo)致藍(lán)牙接收器的阻塞。假定兩個天線耦合因子是15dB,藍(lán)牙接收器設(shè)置在最大增益模式(藍(lán)牙弱信號情況)。同時,因為GSM頻段離ISM頻段比較遠(yuǎn),所以主要考慮離ISM最近的DCS(1.8GHz)和PCS(1.9GHz)頻段。這兩個頻段的最大輸出功率都是30dBm。藍(lán)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(lán)牙頻帶濾波器的約 3.4倍頻程處,DCS的發(fā)射載波處于藍(lán)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(lán)牙基帶＋收發(fā)器二合一芯片為例,其接收器1dB壓縮點是-26dBm,算上3dB的容限,在PCS頻段的輸入功率不能超過-29dBm。假設(shè)在最差情況下,兩個子系統(tǒng)天線的耦合系數(shù)只有-10dB,那么GSM子系統(tǒng)在PCS頻段以最大功率發(fā)射時,藍(lán)牙的頻帶濾波器在PCS頻段上就需要有49dB的衰減,才能滿足藍(lán)牙接收器的帶外阻塞性能指標(biāo)要求。如果在兩天線相互干擾較弱的情況下,雙模的天線耦合因子能降低到-15dB～-20dB,那么藍(lán)牙的接收前端聲表濾波器就只需要 44dB～39dB的衰減,便可以滿足藍(lán)牙接收鏈路預(yù)算的要求。
同樣,對于GSM子系統(tǒng),也需要對藍(lán)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(nèi)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(lán)牙芯片的NF是17dB,兩個子系統(tǒng)天線耦合因子按-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(lán)牙接收器的等效輸入噪聲為-157dBm/Hz。如果藍(lán)牙要求的耦合噪聲容限是-10dB的話,對于GSM子系統(tǒng), 為了滿足PCS最大輸出功率的要求,輸出頻段的ISM帶外抑制就應(yīng)該達(dá)到26dB。
除了鏈路預(yù)算以外,在實際的系統(tǒng)設(shè)計階段,還發(fā)現(xiàn)可以對GSM 發(fā)射器的VCO的噪聲、I/Q調(diào)制器的噪聲以及內(nèi)部PLL造成的頻率雜散多做些考慮。當(dāng)然,這些難以直接計算,所以還是靠前面提及的板級設(shè)計隔離和屏蔽、合理的PCB走線及EMC設(shè)計來避免。同時要對藍(lán)牙易受干擾的接收頻點做實際測量。一般來說,輻射干擾的最差情況發(fā)生在連續(xù)GPRS操作時,此時有可能同時阻塞藍(lán)牙的2個信道,導(dǎo)致誤包率上升,但是,考慮到連續(xù)GPRS和藍(lán)牙同時操作并非目前智能終端應(yīng)用的主流(IP phone over GPRS還不太成熟),對實際性能影響不大,本文主要考慮單發(fā)單收的GSM話音業(yè)務(wù),這樣處理較為簡便。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(lán)牙的帶內(nèi),要注意按照上文的分析,給予足夠的衰減。
在實際設(shè)計中應(yīng)該使藍(lán)牙和GSM子系統(tǒng)的頻帶濾波器各自在對方的帶內(nèi)分別達(dá)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,這樣會增大帶內(nèi)有用信號的插損,降低了實際的發(fā)射效率,增加了功耗,并可能帶來輸出功率不符合型號認(rèn)證的問題。所以從前面的分析可知,設(shè)法降低兩個子系統(tǒng)天線的耦合度,是一個更好的辦法。
本系統(tǒng)將兩個子系統(tǒng)和天線放置得盡可能遠(yuǎn),以增加物理空間損耗。同時,在天線匹配電路的設(shè)計上,在藍(lán)牙端盡量采用高通濾波網(wǎng)絡(luò)來匹配,而GSM子系統(tǒng)的天線匹配策略采用低通網(wǎng)絡(luò)的方式,這樣達(dá)到了附加的抑制效果。有設(shè)備條件或者和專業(yè)天線廠家合作的情況下,還可以調(diào)整天線的極化和方向圖,比如讓GSM的天線處于XY平面,而藍(lán)牙天線極化方向處于XZ平面,在測試方向圖時注意觀察和調(diào)整,同時在設(shè)計天線擺放位置和電流流向時加以恰當(dāng)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也能減小兩個子系統(tǒng)天線間的耦合因子,但這會提高天線設(shè)計的難度。如果有條件可進(jìn)行仿真和計算,但是在實際開發(fā)過程中,這些都以工程測試的結(jié)果為準(zhǔn)。
4. 系統(tǒng)級共存設(shè)計考慮
對于這兩個子系統(tǒng)的供電設(shè)計,在開發(fā)過程中首要考慮的是如何降低這兩個收發(fā)器之間開關(guān)噪聲通過電源系統(tǒng)造成的耦合,然后是大功率的GSM發(fā)射時造成的電源瞬間壓降對藍(lán)牙系統(tǒng)的影響,最后就是地彈噪聲的處理。在各個電源處合理采用退耦電容是常識,而對于GSM子系統(tǒng),因為對電源瞬態(tài)響應(yīng)要求高,需要大幅加寬電源線,并提供大的電容做穩(wěn)壓。對于藍(lán)牙子系統(tǒng),為了降低電源上的瞬態(tài)壓降,也需要盡量降低電源線阻抗,并提供大電容穩(wěn)壓。在便攜系統(tǒng)設(shè)計中,走線密度往往過高,造成單獨電源面的制作比較困難,所以要注重電源線的布線,讓它和主地之間的回流途徑盡可能靠近,如果電源線能走在主地的鄰接層,其EMI特性會更加理想。對于藍(lán)牙芯片供電,除了要采用高PSRR的LDO,還要注意這個穩(wěn)壓器的布線優(yōu)化,并增大它的輸出電容,本文的做法是實際的電源優(yōu)化要在大功率工作的同時進(jìn)行,在工程實踐中調(diào)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射頻地或者其它分割策略。
對于系統(tǒng)頻率源的共享和分配,考慮到小體積的智能移動終端電路板面積極為緊張,因此最好能共享一個頻率源。此時要防止共源造成的噪聲和雜散傳導(dǎo)耦合,因此,必要的濾波和匹配是不可或缺的。同時,要注意兩個子系統(tǒng)對頻率源的穩(wěn)定性要求,通常,GSM子系統(tǒng)的頻率源在同步信道解調(diào)成功后是受控的,而藍(lán)牙子系統(tǒng)只是利用頻率源產(chǎn)生本振后,和同步信道簡單匹配來判斷設(shè)備是否同步,并沒有特別的AFC機(jī)制來控制頻率源,所以,當(dāng)GSM系統(tǒng)為了省電需要關(guān)閉GSM輸入的時鐘源而藍(lán)牙仍需要穩(wěn)定工作時,還需要設(shè)計一個簡單合理的門控時鐘來提供請求與仲裁機(jī)制,以保證兩者都可以按需使用時鐘,而兩者都不用時,系統(tǒng)能完成時鐘的關(guān)斷,同時,GSM不工作時還需要保持時鐘源的穩(wěn)定性,以滿足藍(lán)牙的初始時鐘穩(wěn)定性要求。
結(jié)語
本文的智能終端設(shè)計,在常規(guī)的手機(jī)空間中滿足了GSM和藍(lán)牙型號認(rèn)證發(fā)射和接收的各項指標(biāo)要求,在GSM最大功率發(fā)射時,也能在5～7米的距離內(nèi)用藍(lán)牙耳機(jī)清晰地通話,通過以上思路和措施,合理完成了這個雙模系統(tǒng)的共存性設(shè)計。本文總結(jié)了開發(fā)過程中的思考方法和工程經(jīng)驗,希望起到拋磚引玉的作用,給無線便攜系統(tǒng)設(shè)計工程師提供一些參考。