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。

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)。