多模智能移動終端中GSM和藍牙的共存性設(shè)計

引言
GSM和藍牙作為兩種不同的無線制式,在智能手機空間非常緊湊且PCB狹小的情況下,要求在實時語音業(yè)務(wù)中同時滿足收發(fā)工作,由GSM 收發(fā)子系統(tǒng)完成從智能終端到移動網(wǎng)絡(luò)的話音接入服務(wù),由藍牙收發(fā)子系統(tǒng)完成從智能終端到藍牙無線耳機或者車載免提的短距離語音服務(wù),就必然存在共存性設(shè)計問題。本文基于在某智能移動終端產(chǎn)品設(shè)計中的工程實踐,總結(jié)了設(shè)計多模無線共存系統(tǒng)的理論考慮和工程上的分析思路。

系統(tǒng)設(shè)計思路
對于純粹的分立GSM和藍牙系統(tǒng)來說,因為頻段相距較遠,在同一時段內(nèi)只有一個是大功率發(fā)射,而另一個是微功率發(fā)射系統(tǒng),其共存性的設(shè)計挑戰(zhàn)并不像 IEEE802.11b/g和藍牙系統(tǒng)共存那么嚴(yán)峻。但是,由于在多模智能移動終端中,緊湊的電路板和布局使傳導(dǎo)性干擾和噪聲耦合更加強烈。移動終端內(nèi)置 GSM天線成為潮流,而傳統(tǒng)的藍牙PCB天線或陶瓷貼片天線也是內(nèi)置的情況下,則在整個狹小的空間內(nèi)裝備了兩個同時工作的天線。移動臺在各種惡劣環(huán)境和復(fù)雜的無線信道中都必須滿足的實時通信需求,以及藍牙耳機要求藍牙設(shè)備和GSM系統(tǒng)同時收發(fā)的應(yīng)用特性,這些因素共同造成了GSM和藍牙在多模移動終端中的共存性設(shè)計仍要面對工程性的困難和挑戰(zhàn)。
在設(shè)計移動終端的實踐中,首先要考慮無線接口,兩種制式同時工作時,相互的收和發(fā)是否存在干擾。然后考慮電路設(shè)計,即這兩個子系統(tǒng)在如此緊湊的電路板和高密度的布線中,GSM系統(tǒng)的收發(fā)器架構(gòu)和頻率規(guī)劃與藍牙子系統(tǒng)的關(guān)系造成的頻率源,濾波,屏蔽方面的考慮。此外,作為無線收發(fā)設(shè)備,在緊湊的空間中,這兩個制式的天線耦合特性和輻射模型造成的共存性問題也要妥善解決。最后還要考慮兩個子系統(tǒng)的電源供電思路,以及可能存在的系統(tǒng)頻率源的共享和分配方案。

GSM和藍牙雙模系統(tǒng)
共存的考慮要素
1. 對于雙模收發(fā)頻段的相互干擾,主要考慮兩個方面,藍牙發(fā)射帶外雜散對GSM接收帶內(nèi)的影響和GSM發(fā)射帶外雜散對藍牙接收帶內(nèi)的影響。
藍牙的射頻系統(tǒng)工作在2.4GHz的ISM頻段,對于工作在850MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz的GSM來說,這個頻帶間距似乎都是安全的。然而,在不低于-102dBm的接收靈敏度容限下,典型的GSM手機在天線輸入端只在最大為-111dBm的雜散信號存在,且同頻載干比C/I 不超過-9dB時,才能保證GSM接收性能不會有損失。在實際系統(tǒng)中,如果根據(jù)經(jīng)驗假定GSM和藍牙天線之間的空間損耗在10～15dB左右,就意味著只要藍牙發(fā)射器(在藍牙天線端測量到的)在GSM全頻段上的最大發(fā)射帶外雜散不超過－101～-96dBm,GSM子系統(tǒng)的接收性能就能得以保證。
然而在藍牙BQB認證時,在GSM帶內(nèi)的雜散指標(biāo)要求的標(biāo)竿是遠高于此的,就是說,只滿足BQB藍牙測試的發(fā)射器要求,未必能達到不使共存的GSM系統(tǒng)接收性能惡化的要求。因此,在設(shè)計藍牙子系統(tǒng)時要格外當(dāng)心。首先,芯片設(shè)計廠家會采取措施防止強的本振信號和各階交調(diào)分量落在GSM頻段內(nèi),同時,在板級設(shè)計的布局布線時也要注意隔離和防止泄漏。另外,有些比較優(yōu)秀的藍牙芯片設(shè)計公司,還采用了主動引入頻率源時鐘抖動的方式,通過頻譜擴展,相對于普通方波頻率源輸入,將GSM帶內(nèi)的雜散功率譜密度降低了至少10dB。
再來看GSM發(fā)射器對藍牙接收器的影響。雖然接收靈敏度的要求是-70dBm,但業(yè)界的藍牙芯片都可以達到-80dBm,甚至更好的指標(biāo)。一般鑒頻器的C/I單音需求是優(yōu)于-18dB的。因此,從藍牙天線端來看,其要求能容許的最大帶內(nèi)單音干擾是-98dBm左右。同樣假定這個雙模終端中GSM天線到藍牙天線的空間損耗是10～15dB,這樣,GSM天線上測量到的處于藍牙帶內(nèi)的發(fā)射雜散就不能超過-88～-83dBm。在GSM的FTA認證中,其EMI指標(biāo)在ISM帶內(nèi)的發(fā)射雜散容限標(biāo)竿同樣比這個寬松。
因此,如果只滿足GSM 發(fā)射器要求,可能會造成共存系統(tǒng)中藍牙接收器的性能惡化。故必須謹慎地分析GSM子系統(tǒng)的本振和頻綜的架構(gòu),并采取其它方式,盡可能消除本振泄漏和一些高階分量對藍牙接收帶內(nèi)的影響,特別是GSM子系統(tǒng)工作在PCS頻段的時候。根據(jù)實際設(shè)計的情況,考慮過增加Tx聲表濾波器來提高帶外的抑制度,加強子系統(tǒng)的隔離,但同時又需要考慮由此引發(fā)的其它發(fā)射功率和效率問題。
2. 對于板級設(shè)計的頻率隔離,濾波和屏蔽,本文主要考慮三個方面,包括藍牙本振相噪對GSM相應(yīng)頻點的影響,GSM和藍牙子系統(tǒng)的屏蔽以及GSM系統(tǒng)的射頻架構(gòu)和頻率規(guī)劃與藍牙子系統(tǒng)的關(guān)系。
前面已經(jīng)提到過兩個子系統(tǒng)在對方頻帶中的雜散所造成的危害,實際上有些時候板上的耦合途徑比天線的耦合造成的影響更大。所以本系統(tǒng)開發(fā)時首先分析了板級設(shè)計中的耦合途徑。第一是GSM功率放大器到藍牙接收器前端的耦合,或者是GSM/藍牙發(fā)射信號有泄漏,以某種方式通過GSM和藍牙系統(tǒng)之間的PCM接口或者 UART互連線直接耦合到對方系統(tǒng)中。如果不謹慎處理PCB走線時的EMI設(shè)計,這些接口數(shù)據(jù)線的天線效應(yīng)可能會是板上輻射耦合的重要來源。第二,GSM 子系統(tǒng)的本振信號有可能通過某些高速信號線,如存儲器總線等泄漏出來,將開關(guān)噪聲或雜散引入到藍牙子系統(tǒng)。第三,GSM和藍牙子系統(tǒng)之間的共電源和共地也要合理的考慮,防止電源和地造成的帶內(nèi)雜散的相互耦合和干擾。
對于這些板級耦合干擾問題,本文采取以下思路來處理。首先盡量將兩個子系統(tǒng)的距離拉遠些,這樣也方便留出足夠的空間來制作屏蔽罩,以實現(xiàn)空間上的屏蔽和隔離;另一個考慮是用屏蔽的方式將強發(fā)射信號和弱信號分開。這兩個子系統(tǒng)的射頻部分都適合單獨做一個地,再分別連到系統(tǒng)的主地上,以減小共地造成的耦合。對于系統(tǒng)的主地,要盡量降低其阻抗,在選取一個盡量大的、完整的地平面的同時,還要在射頻信號途徑旁邊的地上,多采用過孔來降低回流途徑的阻抗,并減小完整信號從出發(fā)到終止點的路徑所包圍的面積,降低天線效應(yīng)。