如何提高GPS接收器在同步GPS操作中的灵敏度

电子工程师 2017-11-24 1353

RF/无线

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描述

S-GPS（同步全球定位系统）是 GPS 信号的接收和手机语音或数据信号的传输在同一时间发生的操作。语音或数据传输中的干扰信号可能会泄漏到 GPS 接收器的通路中，并会因接收器的低噪声放大器或接收器后端的过载而影响接收器的灵敏度。

这对手机设计人员构成了一大挑战。设计人员需要对微弱传入的 GPS 信号，同时还有语音或数据传输中的强干扰信号保持 GPS 接收器的灵敏度。这需要 GPS 接收器前端针对微弱的 GPS 信号具有低噪声系数和高增益，同时还能非常有效地阻断强干扰信号。

低插入损耗、高阻断能力的 FBAR 滤波器

与低噪声放大器集成一体通过安放一个前置滤波器即可阻止泄漏到 GPS 接收通路中的强干扰信号。根据 Friis 方程，第一级的噪声系数或插入损耗将对接收器链路的噪声系数起着主导作用，为后级提供合理的增益。因此，将低插入损耗、高带外抑制的滤波器与低噪声、高增益和良好线性度的放大器集成一体，对实现上一段中所提到的目标能起重要作用。

Avago Technologies 的 GPS 前端模块由 FBAR 滤波器和GaAs E-pHEMT（增强模式伪形态高电子迁移率晶体管）低噪声放大器组成。FBAR 是由 Avago Technologies 开发的一项具有突破性的谐振器技术。这一技术能用来生产Q 值（品质因数）极高的小型化滤波器。优异的 Q 值转换成一个非常陡然的滤波器频率响应跌落或极好的不同频道信号传输抑制。有了集成滤波器，该模块即可对干扰信号实现卓越的不同频道信号传输抑制。这是在 1.575GHz的 GPS 信号附近过滤掉所有的干扰信号，同时保持放大器的低噪声系数必不可少的一个特征。例如，卫星电话通信频带使用的是 1.62GHz信号，非常接近于 GPS 频率。因此，需要一个具有非常陡然的频率响应跌落的过滤器来阻断 1.62GHz 信号，同时又不显著衰减带内 GPS 信号。

由于噪声系数始终受制于接收通路的第一级，因而将低插入损耗 FBAR 滤波器集成到模块的第一级中，随后放置 GaAs 低噪声放大器，即可产生一个噪声系数非常低、带内阻断能力高的 GPS 放大器模块。

射频性能

表 1 归纳了一些带有不同前置滤波器、后置滤波器和放大器组合的 Avago Technologies GPS 模块的射频性能。ALM-1912 和 ALM-2712 都在第一级设有 FBAR 滤波器，随后放置低噪声放大器。ALM-2712 比 ALM-1912 多了一个后置滤波器。ALM-1412 则以低噪声放大器和后置滤波器为组合。

参见表 1，ALM-1912 和 ALM-2712 对于干扰信号表现出明显的阻断能力。ALM-1912 和 ALM-2712 的带外输入 P1dB 在蜂窝频段、PCS 频段和无线频段均远远优于 LNA 之前没有滤波器的 ALM-1412。高频率响应跌落 P1dB 表明该模块能够在强干扰信号存在的情况下工作，不会导致放大器饱和。

测量和测试设置

另一项测量是为了比较 3 个模块阻断干扰信号的能力。该测量旨在监测模块的噪声系数随一定功率电平的干扰信号存在而发生的退化。在这一测量中，干扰信号的频率为 1.62GHz，接近于 GPS 频率并会给 GPS 频率噪声系数带来最显著的影响。图 2 显示了该测量的测试设置。

处于干扰频率的 CW 信号（干扰信号）是由信号发生器产生的。干扰信号和噪声源相结合共同使用一个功率合成器，并被一起馈送到 GPS 模块，以测量模块的噪声系数。

在干扰信号与噪声源结合之前，由外部前置放大器放大干扰信号以提高信号的功率电平。噪声系数分析仪能在非常低的噪声基底测量或接收信号。因此，任何来自干扰源的额外噪声都很重要并将被纳入噪声系数测量之中。噪声基底高的干扰源在 GPS 频率中可能会最终导致测量干扰源的噪声基底，而不是测量模块的噪声系数。为了确保在噪声系数测量中没有包括额外的噪声基底，可通过滤波器衰减 GPS 频率的干扰信号，以便抑制这个频率的信号/噪声。

正如上一段中所讨论的，必须在 GPS 频率对干扰信号的噪声基底进行高效抑制，以使本测试得以正确而精准的测量。参见图 2，一个带通滤波器被置于干扰信号源处，可过滤干扰信号的谐波。此外，还有两个陷波滤波器被置于带通滤波器之后，可在 GPS 频率中抑制干扰信号的噪声基底。图 3 显示了 2 个级联陷波滤波器和 1 个带通滤波器的频率响应。级联滤波器在1.575GHz 达到 100dB 的衰减，并在 1.62GHz 的干扰信号频率中实现低损耗。

对于 DTU（被测装置）／GPS 模块之后的测试设置，GPS 带通滤波器应置于噪声系数分析仪之前，以阻止强干扰信号进入噪声系数分析仪。这将有助于避免分析仪遭受强干扰信号引起的过载。

讨论和测量结果

图 4 显示了模块噪声系数在 1.62GHz 强干扰信号背景中的退化。退化是以没有干扰信号时的模块噪声系数作为参考依据的。结果是基于图 2 所示的测试设置所测量的。

ALM-1412 没有将前置滤波器设为第一级，噪声系数在干扰信号达到 -10dBm 的功率电平前就降低了 1dB以上。ALM-1912 和 ALM-2712 均未在功率电平高达20dBm 的强干扰信号时显示噪声系数退化。

由此可见，带前置滤波器的 GPS 模块对强干扰信号具有更好的抑制作用。这个示例中所测得的数据显示，带前置滤波器的 ALM-1912 和 ALM-2712 在强干扰信号存在的情况下要比放大器前没有前置滤波器的 ALM-1412 具有更好的稳固性。

综述

总的来说，在第一级中集成 FBAR 滤波器将受益于卓越的带外抑制，并对干扰信号表现出更加稳定的噪声系数性能。FBAR 滤波器的低插入损耗也有助于放大器实现最低的噪声系数退化。结果显示，带有插入损耗低、带外抑制高的 FBAR 前置滤波器的 GPS 放大器模块不愧为一个很好的 GPS 接收链路解决方案。此外，所有元件都集成到一个小型模块封装中，减少了所需的电路板空间并缩短了设计周期。

参考文献

• D.Orban 和 T.Eyerman 撰写的“GPS Antenna LNA”（《GPS 天线 LNA》）
• 应用说明 AN- 5240：“ALM-1106 as a 1.575 GHz GPSLow Noise Amplier”（《ALM- 1106 作为 1.575GHz GPS 低噪声放大器》）
• Allen Chien 和 Won Kyu Kim 撰写的“Improving S-GPS sensitivity”（《提高 S-GPS 灵敏度》）S-GPS_sensitivity-article-farr_avago_jun2008-html.aspx)

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