早在2001年911恐怖事件以后,美國基于安全的考慮,強制要求手機具有GPS定位功能,以確定該手機的實時位置。近年來,隨著我國基礎建設的迅猛發(fā)展,道路建設日新月異;人們工作生活節(jié)奏加快,GPS導航定位系統(tǒng)日顯重要,需求增加。最近有消息稱:諾基亞高調宣布為其智能手機推出了Ovi地圖新版本,將包括高端的步行和駕駛導航。此舉被視為對GPS手機導航產(chǎn)業(yè)以及GPS導航相關產(chǎn)業(yè)影響巨大的變革。隨著手機性能的普遍提升,以及手機GPS接收機獨特問題的解決,GPS功能已不再是高端手機獨享的配置,正在向普通手機標配發(fā)展。
GPS功能簡介
GPS全稱為全球定位系統(tǒng),由24顆衛(wèi)星分布在6個不同高度的軌道上,按功能分有導航和定位兩個;按應用分軍用和民用。其中軍用頻率在1.227GHz ,由美國軍方獨占,用途主要用于武器制導,偵查等軍事和戰(zhàn)爭用途,精度高。民用頻率在1.575GHz,供全球免費使用,用途主要用于海航,自然科學領域,更廣泛的是我們熟悉的汽車行駛導航等。 只有同時接收到3顆星的有效信號才能確定其位置。
GPS信號微弱,接收機靈敏度通常在-136dBm左右。
手機GPS的挑戰(zhàn)
手機應用的特點:體積小,功耗低,生產(chǎn)性好,器件便宜,設計時間短,產(chǎn)品面市快?;谑謾C平臺的GPS功能比獨立GPS接收機有更高的要求,更具有挑戰(zhàn)性,主要考慮以下幾個方面: 電子環(huán)境,功耗,體積,價格,設計時的便捷性和性能指標的容易實現(xiàn)性。
常見的單片GPS接收機采用CMOS工藝,達不到很高的收機靈敏度。相比汽車行駛在比較寬闊空間的路面上,手持GPS比車載的移動更靈活,所處位置信號會更弱,多徑接收更普遍。要求接收能力更強,在接收前端增加濾波器和低噪放非常必要。
手機上的GPS 設計之考慮
電子環(huán)境更惡劣。GPS 接收和手機功放在同一塊板上,對1.575GHz GPS信號而言其帶外信號主要有:900MHz,1800MHz 的GSM 功放;1800—1900MHz 的PCS功放;2.4GHz的 WLAN,藍牙; 以及2.5—2.7GHz的WiMAX。這些信號雖不會同時存在,但每個都很強,對GPS接收性能都有明顯影響。實驗表明:-15dBm的帶外信號,會引起GPS 低噪放增益下降1dB. 因此,選擇手機GPS 低噪放時不僅要看其自身的噪聲系數(shù)和增益,更要關注其帶外衰減指標,這對GPS接收機的捕捉能力,跟蹤性能和定位精度,乃至能否正常工作至關重要。
CDMA, WCDMA手機收發(fā)是雙工工作的,其功放的發(fā)射信號和噪聲會對GPS信號形成干擾乃至堵塞 。因此,GPS接收機必須外加LNA和高性能的濾波器。LNA增加了其接收靈敏度,而濾波器則增強帶外衰減。對設計布線上另一個好處是,LNA可放置在靠近天線端,降低對GPS接收模塊位置的要求,并使GPS接收機噪聲系數(shù)得到1.5dB左右的改善。然而,由于GSM手機收發(fā)是時分工作的,相對而言對GPS信號的帶外衰減要求不是很苛刻,可以省掉高性能的濾波器,用簡單地濾波加低噪放方案來實現(xiàn)GPS接收前端,以節(jié)省成本。
針對不同的系統(tǒng)和平臺,目前,手機GPS接收前端有幾種方案:
--在GMS系統(tǒng)上,選擇有源天線,即低噪放和GPS接收天線集成在一起;
--在CDMA, WCDMA系統(tǒng)上,有分立的低噪放加濾波器,二種器件所采用的材料和性能都有選擇余地。以上方案這對設計時間,設計難度,性能指標,PCB尺寸以及元件數(shù)都是挑戰(zhàn)。
隨著市場需求的變化,濾波器和低噪放集成在一起的GPS接收前端得到了廣泛的應用,其好處顯而易見。和分立器件一樣,二者有不同的組合:LNA+陶瓷濾波器或 LNA+SAW(聲表面波濾波器)。在市場上, 性能以CaAs E-pHEMT+FBAR方案為最優(yōu):噪聲小,線性更好,帶外衰減更好。
Avago 公司致力于GPS接收前端模塊
Avago 結合行業(yè)領先的CaAs E-pHEMT工藝和FBAR濾波器技術,提供GPS射頻前端系列模塊,為GPS外加低噪放前端提供了多種選擇,詳見圖1,3,4,5所示,結構有: Filter + LNA + Filter; Filter + LNA; LNA + Filter; 或單純的LNA,在規(guī)劃和設計這些產(chǎn)品時Avago充分考慮了其應用環(huán)境,是手機GPS接收設計上的首選。
CaAs E-pHEMT低噪放的特點
相比其他材料和工藝,CaAs E-pHEMT的優(yōu)勢主要在于:噪聲系數(shù)低,是低噪放的首選;低工作電壓下線性高,提高接收機動態(tài)范圍,有利于后續(xù)信號的混頻和解調;增益高乃是放大器的價值所在。因此,CaAs E-pHEMT正是噪聲系數(shù),線性和增益三個低噪放重要指標的完美結合,這是Si材料低噪放很難達到的。
FBAR 濾波器的特點
陶瓷濾波能承受較大的功率,溫度特性好,但器體積大,Q值不如FBAR的好;
SAW濾波器承受功率小,溫度特差,Q值低,便宜。在一些指標要求不太高的手機上還有應用;
FBAR濾波器:性能好,體積小,易于集成。隨著在手機上雙工器,濾波器取代SAW的應用越來越多,其性價比已被大家所認同。
ALM-1712 GPS接收前端實例
下圖1為Avago的ALM-1712產(chǎn)品,由兩個FBAR濾波器和一個LNA組成,三級總的噪聲系數(shù)為1.65 dB 。RF端ESD >3KV,省去外加ESD保護器件,節(jié)省空間和成本。低至1V 工作,可關斷功能則滿足了手機應用低功耗的要求,可變偏置則提供了在各個性能指標中得到一個理想的平衡。 封裝為4.5(L)x2.2(W)x1(H) mm3,外圍器件只有8個電阻,電容和電感器件。
圖1:Avago ALM-1712產(chǎn)品
下圖2所示為在 Vdd = 2.7V, Idd = 8.0mA偏置下1.575GHz處的增益是12.8 dB; 線性IIP3 = +7 dBm, IP1dB = +3 dBm,對900MHz的帶外衰減高達95dBc, 對1800MHz的帶外衰減高達90dBc,有力地保證了在惡劣的電子環(huán)境下,GPS接收機發(fā)揮能良好的功能。ALM-1712很好地滿足了手機GPS的特殊要求:電子環(huán)境,功耗,體積和成本要求以及設計時間和性能指標,這些對手機廠家的意義不言而喻。
圖2
圖3,4,5
下面是市場常見的兩個型號的主要指標,在低噪放都采用CaAs E-pHEMT工藝的情況下,不難看出FBAR濾波器對PCS頻段的抑制比SAW高出21dB( 63 vs. 42)
附圖1是Avago公司在GPS 接收前端產(chǎn)品線的發(fā)展路線圖。不難發(fā)現(xiàn),Avago公司對GPS接收機前端模塊和低噪放市場非常重視,隨著不同功能性能產(chǎn)品在GPS接收機上的廣泛應用,Avago將繼續(xù)推出更多滿足市場的產(chǎn)品,詳情可咨詢Aavago亞太地區(qū)重要代理商世強電訊">世強電訊。
附圖1:Avago科技GPS接收前端產(chǎn)品發(fā)展線路圖
面向GSP, ISM和WiMAX市場, 最近Avago推出MGA-24106低噪放,繼承了Avago 低噪放產(chǎn)品一貫的噪聲系數(shù),增益及線性指標的優(yōu)勢。在3.3V6mA偏置下,1.57GHz,噪聲系數(shù)為0.87,增益為19.6dB, IP1dB為-8.7dBm, IIP3為-0.2dBm。 在低至1.8V電壓下能正常工作。封裝在1.5x1.2x0.5mm3,只需幾個外圍器件。在體積,功耗和低電壓工作方面更高一籌,其價格更具有市場競爭力。在手持,移動終端無線設備上應用前景廣闊。
附圖2是手機用FBAR, SAW和陶瓷濾波器的性能比較。FBAR技術是Avago公司又一領先技術的產(chǎn)品線,在手機上的雙工器,多工器和各種濾波器都占有很大的份額。
附圖2:FBAR, SAW和陶瓷濾波器的性能比較