多模智能移動(dòng)終端中GSM和藍(lán)牙的共存性設(shè)計(jì)

引言
????? GSM和藍(lán)牙作為兩種不同的無(wú)線制式,在智能手機(jī)空間非常緊湊且PCB狹小的情況下,要求在實(shí)時(shí)語(yǔ)音業(yè)務(wù)中同時(shí)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)的話音接入服務(wù),由藍(lán)牙收發(fā)子系統(tǒng)完成從智能終端到藍(lán)牙無(wú)線耳機(jī)或者車載免提的短距離語(yǔ)音服務(wù),就必然存在共存性設(shè)計(jì)問(wèn)題。本文基于在某智能移動(dòng)終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的工程實(shí)踐,總結(jié)了設(shè)計(jì)多模無(wú)線共存系統(tǒng)的理論考慮和工程上的分析思路。
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系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路
????? 對(duì)于純粹的分立GSM和藍(lán)牙系統(tǒng)來(lái)說(shuō),因?yàn)轭l段相距較遠(yuǎn),在同一時(shí)段內(nèi)只有一個(gè)是大功率發(fā)射,而另一個(gè)是微功率發(fā)射系統(tǒng),其共存性的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)并不像 IEEE802.11b/g和藍(lán)牙系統(tǒng)共存那么嚴(yán)峻。但是,由于在多模智能移動(dòng)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(qiáng)烈。移動(dòng)終端內(nèi)置 GSM天線成為潮流,而傳統(tǒng)的藍(lán)牙PCB天線或陶瓷貼片天線也是內(nèi)置的情況下,則在整個(gè)狹小的空間內(nèi)裝備了兩個(gè)同時(shí)工作的天線。移動(dòng)臺(tái)在各種惡劣環(huán)境和復(fù)雜的無(wú)線信道中都必須滿足的實(shí)時(shí)通信需求,以及藍(lán)牙耳機(jī)要求藍(lán)牙設(shè)備和GSM系統(tǒng)同時(shí)收發(fā)的應(yīng)用特性,這些因素共同造成了GSM和藍(lán)牙在多模移動(dòng)終端中的共存性設(shè)計(jì)仍要面對(duì)工程性的困難和挑戰(zhàn)。
????? 在設(shè)計(jì)移動(dòng)終端的實(shí)踐中,首先要考慮無(wú)線接口,兩種制式同時(shí)工作時(shí),相互的收和發(fā)是否存在干擾。然后考慮電路設(shè)計(jì),即這兩個(gè)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(lán)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(wú)線收發(fā)設(shè)備,在緊湊的空間中,這兩個(gè)制式的天線耦合特性和輻射模型造成的共存性問(wèn)題也要妥善解決。最后還要考慮兩個(gè)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(lán)牙雙模系統(tǒng)
共存的考慮要素
1. 對(duì)于雙模收發(fā)頻段的相互干擾,主要考慮兩個(gè)方面,藍(lán)牙發(fā)射帶外雜散對(duì)GSM接收帶內(nèi)的影響和GSM發(fā)射帶外雜散對(duì)藍(lán)牙接收帶內(nèi)的影響。
????? 藍(lán)牙的射頻系統(tǒng)工作在2.4GHz的ISM頻段,對(duì)于工作在850MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz的GSM來(lái)說(shuō),這個(gè)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(jī)在天線輸入端只在最大為-111dBm的雜散信號(hào)存在,且同頻載干比C/I 不超過(guò)-9dB時(shí),才能保證GSM接收性能不會(huì)有損失。在實(shí)際系統(tǒng)中,如果根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定GSM和藍(lán)牙天線之間的空間損耗在10～15dB左右,就意味著只要藍(lán)牙發(fā)射器(在藍(lán)牙天線端測(cè)量到的)在GSM全頻段上的最大發(fā)射帶外雜散不超過(guò)－101～-96dBm,GSM子系統(tǒng)的接收性能就能得以保證。
?????? 然而在藍(lán)牙BQB認(rèn)證時(shí),在GSM帶內(nèi)的雜散指標(biāo)要求的標(biāo)竿是遠(yuǎn)高于此的,就是說(shuō),只滿足BQB藍(lán)牙測(cè)試的發(fā)射器要求,未必能達(dá)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(jì)藍(lán)牙子系統(tǒng)時(shí)要格外當(dāng)心。首先,芯片設(shè)計(jì)廠家會(huì)采取措施防止強(qiáng)的本振信號(hào)和各階交調(diào)分量落在GSM頻段內(nèi),同時(shí),在板級(jí)設(shè)計(jì)的布局布線時(shí)也要注意隔離和防止泄漏。另外,有些比較優(yōu)秀的藍(lán)牙芯片設(shè)計(jì)公司,還采用了主動(dòng)引入頻率源時(shí)鐘抖動(dòng)的方式,通過(guò)頻譜擴(kuò)展,相對(duì)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(lái)看GSM發(fā)射器對(duì)藍(lán)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(lán)牙芯片都可以達(dá)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(lán)牙天線端來(lái)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(gè)雙模終端中GSM天線到藍(lán)牙天線的空間損耗是10～15dB,這樣,GSM天線上測(cè)量到的處于藍(lán)牙帶內(nèi)的發(fā)射雜散就不能超過(guò)-88～-83dBm。在GSM的FTA認(rèn)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(gè)寬松。
??? 因此,如果只滿足GSM 發(fā)射器要求,可能會(huì)造成共存系統(tǒng)中藍(lán)牙接收器的性能惡化。故必須謹(jǐn)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(duì)藍(lán)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(shí)候。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的情況,考慮過(guò)增加Tx聲表濾波器來(lái)提高帶外的抑制度,加強(qiáng)子系統(tǒng)的隔離,但同時(shí)又需要考慮由此引發(fā)的其它發(fā)射功率和效率問(wèn)題。
2. 對(duì)于板級(jí)設(shè)計(jì)的頻率隔離,濾波和屏蔽,本文主要考慮三個(gè)方面,包括藍(lán)牙本振相噪對(duì)GSM相應(yīng)頻點(diǎn)的影響,GSM和藍(lán)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(lán)牙子系統(tǒng)的關(guān)系。
前面已經(jīng)提到過(guò)兩個(gè)子系統(tǒng)在對(duì)方頻帶中的雜散所造成的危害,實(shí)際上有些時(shí)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(shí)首先分析了板級(jí)設(shè)計(jì)中的耦合途徑。第一是GSM功率放大器到藍(lán)牙接收器前端的耦合,或者是GSM/藍(lán)牙發(fā)射信號(hào)有泄漏,以某種方式通過(guò)GSM和藍(lán)牙系統(tǒng)之間的PCM接口或者 UART互連線直接耦合到對(duì)方系統(tǒng)中。如果不謹(jǐn)慎處理PCB走線時(shí)的EMI設(shè)計(jì),這些接口數(shù)據(jù)線的天線效應(yīng)可能會(huì)是板上輻射耦合的重要來(lái)源。第二,GSM 子系統(tǒng)的本振信號(hào)有可能通過(guò)某些高速信號(hào)線,如存儲(chǔ)器總線等泄漏出來(lái),將開關(guān)噪聲或雜散引入到藍(lán)牙子系統(tǒng)。第三,GSM和藍(lán)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(duì)于這些板級(jí)耦合干擾問(wèn)題,本文采取以下思路來(lái)處理。首先盡量將兩個(gè)子系統(tǒng)的距離拉遠(yuǎn)些,這樣也方便留出足夠的空間來(lái)制作屏蔽罩,以實(shí)現(xiàn)空間上的屏蔽和隔離;另一個(gè)考慮是用屏蔽的方式將強(qiáng)發(fā)射信號(hào)和弱信號(hào)分開。這兩個(gè)子系統(tǒng)的射頻部分都適合單獨(dú)做一個(gè)地,再分別連到系統(tǒng)的主地上,以減小共地造成的耦合。對(duì)于系統(tǒng)的主地,要盡量降低其阻抗,在選取一個(gè)盡量大的、完整的地平面的同時(shí),還要在射頻信號(hào)途徑旁邊的地上,多采用過(guò)孔來(lái)降低回流途徑的阻抗,并減小完整信號(hào)從出發(fā)到終止點(diǎn)的路徑所包圍的面積,降低天線效應(yīng)。

? 對(duì)于GSM子系統(tǒng), 因?yàn)槠浒l(fā)射功率遠(yuǎn)大于藍(lán)牙子系統(tǒng),對(duì)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(duì)藍(lán)牙子系統(tǒng)的影響。再者,從電路設(shè)計(jì)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(duì)稱性,從而提高共模抑制。如果實(shí)驗(yàn)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(jì)算出本振和各個(gè)雜散頻率和交調(diào)分量是否正好落在某個(gè)藍(lán)牙的頻點(diǎn)上,然后采用cable傳導(dǎo)的方式,直接驗(yàn)證并測(cè)試這些可疑頻點(diǎn)上GSM以最大功率工作時(shí)藍(lán)牙的性能。如果有特別差的頻點(diǎn),還需要有針對(duì)性地分析布局布線或電路設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)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(gè)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(wèn)題、藍(lán)牙和GSM兩個(gè)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(huì)導(dǎo)致藍(lán)牙接收器的阻塞。假定兩個(gè)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(hào)情況)。同時(shí),因?yàn)镚SM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(gè)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(diǎn)是-26dBm,算上3dB的容限,在PCS頻段的輸入功率不能超過(guò)-29dBm。假設(shè)在最差情況下,兩個(gè)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(shí),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(duì)于GSM子系統(tǒng),也需要對(duì)藍(lán)牙輸出端對(duì)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(jì)算,藍(lán)牙芯片的NF是17dB,兩個(gè)子系統(tǒng)天線耦合因子按-20dB計(jì)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(duì)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(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段,還發(fā)現(xiàn)可以對(duì)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(jì)算,所以還是靠前面提及的板級(jí)設(shè)計(jì)隔離和屏蔽、合理的PCB走線及EMC設(shè)計(jì)來(lái)避免。同時(shí)要對(duì)藍(lán)牙易受干擾的接收頻點(diǎn)做實(shí)際測(cè)量。一般來(lái)說(shuō),輻射干擾的最差情況發(fā)生在連續(xù)GPRS操作時(shí),此時(shí)有可能同時(shí)阻塞藍(lán)牙的2個(gè)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(shí)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(duì)實(shí)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(jiǎn)便。對(duì)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(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)該使藍(lán)牙和GSM子系統(tǒng)的頻帶濾波器各自在對(duì)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(huì)增大帶內(nèi)有用信號(hào)的插損,降低了實(shí)際的發(fā)射效率,增加了功耗,并可能帶來(lái)輸出功率不符合型號(hào)認(rèn)證的問(wèn)題。所以從前面的分析可知,設(shè)法降低兩個(gè)子系統(tǒng)天線的耦合度,是一個(gè)更好的辦法。
?????? 本系統(tǒng)將兩個(gè)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(shí),在天線匹配電路的設(shè)計(jì)上,在藍(lán)牙端盡量采用高通濾波網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(cè)試方向圖時(shí)注意觀察和調(diào)整,同時(shí)在設(shè)計(jì)天線擺放位置和電流流向時(shí)加以恰當(dāng)考慮,也能對(duì)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(gè)子系統(tǒng)天線間的耦合因子,但這會(huì)提高天線設(shè)計(jì)的難度。如果有條件可進(jìn)行仿真和計(jì)算,但是在實(shí)際開發(fā)過(guò)程中,這些都以工程測(cè)試的結(jié)果為準(zhǔn)。
4. 系統(tǒng)級(jí)共存設(shè)計(jì)考慮
???????? 對(duì)于這兩個(gè)子系統(tǒng)的供電設(shè)計(jì),在開發(fā)過(guò)程中首要考慮的是如何降低這兩個(gè)收發(fā)器之間開關(guān)噪聲通過(guò)電源系統(tǒng)造成的耦合,然后是大功率的GSM發(fā)射時(shí)造成的電源瞬間壓降對(duì)藍(lán)牙系統(tǒng)的影響,最后就是地彈噪聲的處理。在各個(gè)電源處合理采用退耦電容是常識(shí),而對(duì)于GSM子系統(tǒng),因?yàn)閷?duì)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(duì)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(jì)中,走線密度往往過(guò)高,造成單獨(dú)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(huì)更加理想。對(duì)于藍(lán)牙芯片供電,除了要采用高PSRR的LDO,還要注意這個(gè)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(shí)際的電源優(yōu)化要在大功率工作的同時(shí)進(jìn)行,在工程實(shí)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(dú)做兩個(gè)射頻地或者其它分割策略。
?????? 對(duì)于系統(tǒng)頻率源的共享和分配,考慮到小體積的智能移動(dòng)終端電路板面積極為緊張,因此最好能共享一個(gè)頻率源。此時(shí)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(shí),要注意兩個(gè)子系統(tǒng)對(duì)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(jiǎn)單匹配來(lái)判斷設(shè)備是否同步,并沒(méi)有特別的AFC機(jī)制來(lái)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(shí)鐘源而藍(lán)牙仍需要穩(wěn)定工作時(shí),還需要設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單合理的門控時(shí)鐘來(lái)提供請(qǐng)求與仲裁機(jī)制,以保證兩者都可以按需使用時(shí)鐘,而兩者都不用時(shí),系統(tǒng)能完成時(shí)鐘的關(guān)斷,同時(shí),GSM不工作時(shí)還需要保持時(shí)鐘源的穩(wěn)定性,以滿足藍(lán)牙的初始時(shí)鐘穩(wěn)定性要求。
結(jié)語(yǔ)
??? 本文的智能終端設(shè)計(jì),在常規(guī)的手機(jī)空間中滿足了GSM和藍(lán)牙型號(hào)認(rèn)證發(fā)射和接收的各項(xiàng)指標(biāo)要求,在GSM最大功率發(fā)射時(shí),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(guò)以上思路和措施,合理完成了這個(gè)雙模系統(tǒng)的共存性設(shè)計(jì)。本文總結(jié)了開發(fā)過(guò)程中的思考方法和工程經(jīng)驗(yàn),希望起到拋磚引玉的作用,給無(wú)線便攜系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供一些參考。