多模智能移動終端中GSM和藍牙的共存性設計
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對于GSM子系統(tǒng), 因為其發(fā)射功率遠大于藍牙子系統(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牙子系統(tǒng)的影響。再者,從電路設計方面考慮,一般藍牙和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,計算出本振和各個雜散頻率和交調分量是否正好落在某個藍牙的頻點上,然后采用cable傳導的方式,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
在智能手機這么狹小的空間中,尤其是GSM子系統(tǒng)普遍采用內置天線的情況下,兩個天線的距離進一步縮短,因此耦合情況更加復雜。在這個方面,本文主要考慮GSM/藍牙天線耦合特性造成的鏈路預算問題、藍牙和GSM兩個系統(tǒng)的收發(fā)頻帶濾波,以及GSM/藍牙天線的輻射模型。
前文已經描述了GSM的最大輸出功率是＋33dBm,這會導致藍牙接收器的阻塞。假定兩個天線耦合因子是15dB,藍牙接收器設置在最大增益模式(藍牙弱信號情況)。同時,因為GSM頻段離ISM頻段比較遠,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)射載波處于藍牙頻帶濾波器的約 3.4倍頻程處,DCS的發(fā)射載波處于藍牙頻帶濾波器約4.4倍頻程處。考慮最近的PCS頻段,以德州儀器的BRF6100藍牙基帶＋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,才能滿足藍牙接收器的帶外阻塞性能指標要求。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,便可以滿足藍牙接收鏈路預算的要求。
同樣,對于GSM子系統(tǒng),也需要對藍牙輸出端對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,藍牙接收器的等效輸入噪聲為-157dBm/Hz。如果藍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帶外抑制就應該達到26dB。
除了鏈路預算以外,在實際的系統(tǒng)設計階段,還發(fā)現(xiàn)可以對GSM 發(fā)射器的VCO的噪聲、I/Q調制器的噪聲以及內部PLL造成的頻率雜散多做些考慮。當然,這些難以直接計算,所以還是靠前面提及的板級設計隔離和屏蔽、合理的PCB走線及EMC設計來避免。同時要對藍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牙的2個信道,導致誤包率上升,但是,考慮到連續(xù)GPRS和藍牙同時操作并非目前智能終端應用的主流(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,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, 它們一般落在藍牙的帶內,要注意按照上文的分析,給予足夠的衰減。
在實際設計中應該使藍牙和GSM子系統(tǒng)的頻帶濾波器各自在對方的帶內分別達到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證的問題。所以從前面的分析可知,設法降低兩個子系統(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,以增加物理空間損耗。同時,在天線匹配電路的設計上,在藍牙端盡量采用高通濾波網絡來匹配,而GSM子系統(tǒng)的天線匹配策略采用低通網絡的方式,這樣達到了附加的抑制效果。有設備條件或者和專業(yè)天線廠家合作的情況下,還可以調整天線的極化和方向圖,比如讓GSM的天線處于XY平面,而藍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整,同時在設計天線擺放位置和電流流向時加以恰當考慮,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,但這會提高天線設計的難度。如果有條件可進行仿真和計算,但是在實際開發(fā)過程中,這些都以工程測試的結果為準。
4. 系統(tǒng)級共存設計考慮
對于這兩個子系統(tǒng)的供電設計,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行,在工程實踐中調整。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成功后是受控的,而藍牙子系統(tǒng)只是利用頻率源產生本振后,和同步信道簡單匹配來判斷設備是否同步,并沒有特別的AFC機制來控制頻率源,所以,當GSM系統(tǒng)為了省電需要關閉GSM輸入的時鐘源而藍牙仍需要穩(wěn)定工作時,還需要設計一個簡單合理的門控時鐘來提供請求與仲裁機制,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,以滿足藍牙的初始時鐘穩(wěn)定性要求。
結語
本文的智能終端設計,在常規(guī)的手機空間中滿足了GSM和藍牙型號認證發(fā)射和接收的各項指標要求,在GSM最大功率發(fā)射時,也能在5～7米的距離內用藍牙耳機清晰地通話,通過以上思路和措施,合理完成了這個雙模系統(tǒng)的共存性設計。本文總結了開發(fā)過程中的思考方法和工程經驗,希望起到拋磚引玉的作用,給無線便攜系統(tǒng)設計工程師提供一些參考。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/157674.htm 電機保護器相關文章:電機保護器原理
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