多模智能移动终端中GSM和蓝牙的设计

放大器到蓝牙接收器前端的耦合,或者是GSM/蓝牙发射信号有泄漏,以某种方式通过GSM和蓝牙系统之间的PCM接口或者UART互连线直接耦合到对方系统中。如果不谨慎处理PCB走线时的EMI设计,这些接口数据线的天线效应可能会是板上辐射耦合的重要来源。第二,GSM子系统的本振信号有可能通过某些高速信号线,如存储器总线等泄漏出来,将开关噪声或杂散引入到蓝牙子系统。第三,GSM和蓝牙子系统之间的共电源和共地也要合理的考虑,防止电源和地造成的带内杂散的相互耦合和干扰。

对于这些板级耦合干扰问题,本文采取以下思路来处理。首先尽量将两个子系统的距离拉远些,这样也方便留出足够的空间来制作屏蔽罩,以实现空间上的屏蔽和隔离;另一个考虑是用屏蔽的方式将强发射信号和弱信号分开。这两个子系统的射频部分都适合单独做一个地,再分别连到系统的主地上,以减小共地造成的耦合。对于系统的主地,要尽量降低其阻抗,在选取一个尽量大的、完整的地平面的同时,还要在射频信号途径旁边的地上,多采用过孔来降低回流途径的阻抗,并减小完整信号从出发到终止点的路径所包围的面积,降低天线效应。

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(IPphoneover 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