多模智能移动终端中GSM和蓝牙的共存性设计

作者：时间：2010-01-15来源：网络收藏

对于GSM子系统, 因为其发射功率远大于蓝牙子系统,对它的地,以及天线的参考地,都需要特别注意,着重防止它造成的地弹噪声对蓝牙子系统的影响。再者,从电路设计方面考虑,一般蓝牙和GSM的前端LNA输入等都是差分的,要注意前端差分线的布线和匹配电路布局的对称性,从而提高共模抑制。如果实验室有足够的条件,建议分析GSM频率分配方案和频综的架构,计算出本振和各个杂散频率和交调分量是否正好落在某个蓝牙的频点上,然后采用cable传导的方式,直接验证并测试这些可疑频点上GSM以最大功率工作时蓝牙的性能。如果有特别差的频点,还需要有针对性地分析布局布线或电路设计时引入的板上耦合途径。
3. 双天线系统辐射和耦合
在智能手机这么狭小的空间中,尤其是GSM子系统普遍采用内置天线的情况下,两个天线的距离进一步缩短,因此耦合情况更加复杂。在这个方面,本文主要考虑GSM/蓝牙天线耦合特性造成的链路预算问题、蓝牙和GSM两个系统的收发频带滤波,以及GSM/蓝牙天线的辐射模型。
前文已经描述了GSM的最大输出功率是＋33dBm,这会导致蓝牙接收器的阻塞。假定两个天线耦合因子是15dB,蓝牙接收器设置在最大增益模式(蓝牙弱信号情况)。同时,因为GSM频段离ISM频段比较远,所以主要考虑离ISM最近的DCS(1.8GHz)和PCS(1.9GHz)频段。这两个频段的最大输出功率都是30dBm。蓝牙接收的ISM频带滤波器中心带宽是2.442GHz,带宽为100MHz,那么PCS的发射载波处于蓝牙频带滤波器的约 3.4倍频程处,DCS的发射载波处于蓝牙频带滤波器约4.4倍频程处。考虑最近的PCS频段,以德州仪器的BRF6100蓝牙基带＋收发器二合一芯片为例,其接收器1dB压缩点是-26dBm,算上3dB的容限,在PCS频段的输入功率不能超过-29dBm。假设在最差情况下,两个子系统天线的耦合系数只有-10dB,那么GSM子系统在PCS频段以最大功率发射时,蓝牙的频带滤波器在PCS频段上就需要有49dB的衰减,才能满足蓝牙接收器的带外阻塞性能指标要求。如果在两天线相互干扰较弱的情况下,双模的天线耦合因子能降低到-15dB～-20dB,那么蓝牙的接收前端声表滤波器就只需要 44dB～39dB的衰减,便可以满足蓝牙接收链路预算的要求。
同样,对于GSM子系统,也需要对蓝牙输出端对GSM造成的带外干扰做抑制。如果考虑最接近ISM的PCS频段,按照GSM带内底噪-71dBm/100KHz的要求,PCS输出噪声功率密度为-121dBm/Hz。按PCS频段Tx 滤波器的中心在Fo＝1.96GHz、带宽为75MHz计算,蓝牙芯片的NF是17dB,两个子系统天线耦合因子按-20dB计算,那么在PCS输出滤波器的3.6倍频程处的ISM频带上,蓝牙接收器的等效输入噪声为-157dBm/Hz。如果蓝牙要求的耦合噪声容限是-10dB的话,对于GSM子系统, 为了满足PCS最大输出功率的要求,输出频段的ISM带外抑制就应该达到26dB。
除了链路预算以外,在实际的系统设计阶段,还发现可以对GSM 发射器的VCO的噪声、I/Q调制器的噪声以及内部PLL造成的频率杂散多做些考虑。当然,这些难以直接计算,所以还是靠前面提及的板级设计隔离和屏蔽、合理的PCB走线及EMC设计来避免。同时要对蓝牙易受干扰的接收频点做实际测量。一般来说,辐射干扰的最差情况发生在连续GPRS操作时,此时有可能同时阻塞蓝牙的2个信道,导致误包率上升,但是,考虑到连续GPRS和蓝牙同时操作并非目前智能终端应用的主流(IP phone over GPRS还不太成熟),对实际性能影响不大,本文主要考虑单发单收的GSM话音业务,这样处理较为简便。对于GSM的Tx谐波,主要注意2阶和3阶分量, 它们一般落在蓝牙的带内,要注意按照上文的分析,给予足够的衰减。
在实际设计中应该使蓝牙和GSM子系统的频带滤波器各自在对方的带内分别达到35dB和26dB以上的衰减,取得了较好的效果。
然而,一味引入更大衰减的频带滤波器也不是最好的选择,这样会增大带内有用信号的插损,降低了实际的发射效率,增加了功耗,并可能带来输出功率不符合型号认证的问题。所以从前面的分析可知,设法降低两个子系统天线的耦合度,是一个更好的办法。
本系统将两个子系统和天线放置得尽可能远,以增加物理空间损耗。同时,在天线匹配电路的设计上,在蓝牙端尽量采用高通滤波网络来匹配,而GSM子系统的天线匹配策略采用低通网络的方式,这样达到了附加的抑制效果。有设备条件或者和专业天线厂家合作的情况下,还可以调整天线的极化和方向图,比如让GSM的天线处于XY平面,而蓝牙天线极化方向处于XZ平面,在测试方向图时注意观察和调整,同时在设计天线摆放位置和电流流向时加以恰当考虑,也能对降低耦合因子有一定效果。选用尽量窄带的天线也能减小两个子系统天线间的耦合因子,但这会提高天线设计的难度。如果有条件可进行仿真和计算,但是在实际开发过程中,这些都以工程测试的结果为准。
4. 系统级共存设计考虑
对于这两个子系统的供电设计,在开发过程中首要考虑的是如何降低这两个收发器之间开关噪声通过电源系统造成的耦合,然后是大功率的GSM发射时造成的电源瞬间压降对蓝牙系统的影响,最后就是地弹噪声的处理。在各个电源处合理采用退耦电容是常识,而对于GSM子系统,因为对电源瞬态响应要求高,需要大幅加宽电源线,并提供大的电容做稳压。对于蓝牙子系统,为了降低电源上的瞬态压降,也需要尽量降低电源线阻抗,并提供大电容稳压。在便携系统设计中,走线密度往往过高,造成单独电源面的制作比较困难,所以要注重电源线的布线,让它和主地之间的回流途径尽可能靠近,如果电源线能走在主地的邻接层,其EMI特性会更加理想。对于蓝牙芯片供电,除了要采用高PSRR的LDO,还要注意这个稳压器的布线优化,并增大它的输出电容,本文的做法是实际的电源优化要在大功率工作的同时进行,在工程实践中调整。为了减小地弹噪声,还要注意主地层的完整,以及前文提到的单独做两个射频地或者其它分割策略。
对于系统频率源的共享和分配,考虑到小体积的智能移动终端电路板面积极为紧张,因此最好能共享一个频率源。此时要防止共源造成的噪声和杂散传导耦合,因此,必要的滤波和匹配是不可或缺的。同时,要注意两个子系统对频率源的稳定性要求,通常,GSM子系统的频率源在同步信道解调成功后是受控的,而蓝牙子系统只是利用频率源产生本振后,和同步信道简单匹配来判断设备是否同步,并没有特别的AFC机制来控制频率源,所以,当GSM系统为了省电需要关闭GSM输入的时钟源而蓝牙仍需要稳定工作时,还需要设计一个简单合理的门控时钟来提供请求与仲裁机制,以保证两者都可以按需使用时钟,而两者都不用时,系统能完成时钟的关断,同时,GSM不工作时还需要保持时钟源的稳定性,以满足蓝牙的初始时钟稳定性要求。
结语
本文的智能终端设计,在常规的手机空间中满足了GSM和蓝牙型号认证发射和接收的各项指标要求,在GSM最大功率发射时,也能在5～7米的距离内用蓝牙耳机清晰地通话,通过以上思路和措施,合理完成了这个双模系统的共存性设计。本文总结了开发过程中的思考方法和工程经验,希望起到抛砖引玉的作用,给无线便携系统设计工程师提供一些参考。