手机GPS接收灵敏度

手机GPS接收灵敏度上层楼厘清讯号干扰为治本之道

新通讯2008年11月号93期

文．赖盈霖

在九十二期专栏中已针对全球卫星定位系统(GPS)接收机和手机芯片整合模式进行完整介绍，同时亦剖析模拟和数字基频接口的设计考虑；本期专栏将继续探讨GPS与手机芯片整合时，手机电路对GPS接收机的干扰问题。

手机系统对GPS干扰问题重重

GPS接收机和手机整合最容易面临的问题便是来自手机和主板的干扰会导致GPS接收机灵敏度(Sensitivity)降低、

值降低以及造成卫星误判(False Alarm)。一般说来，手机系统对GPS的干扰可以分类为外频

(Out-of-band)和同频(In-band)干扰。图1所示为干扰源的树形图。

图1GPS接收机干扰源树形图

手机射频为GPS外频干扰元凶

外频干扰主要是成因为手机发射机所发射的高功率载波。一般手机的发射功率在全球行动通讯(GSM)频段最高发射功率可达33dBm，在DCS频段最高发射功率亦可达30dBm；就平均发射功率而言，手机的发射功率通常在20dBm 以上。相较之下，卫星讯号抵达GPS接收机天线的功率在户外约为-130dBm，而在室内则降低到-150dBm左右。虽然手机所发射的高功率载波落在GPS的外频，但这两种讯号的功率位准相差甚大(可达150～180dBm)，再加上低噪声放大器(LNA)本身是一种宽带的组件，因此会对第一级低噪声放大器产生非线性效应。此一非线性效应会在GPS接收机内产生讯号饱合(Saturation)、压缩(Compression)和互调变(Inter-modulation)，进而导致GPS接

收机值的降低，甚至产生同频的干扰讯号。

GPS的操作频率为1,575.42MHz，因此当手机操作在DCS频段时会对GPS接收机的值造成最大的影响。理论上，当手机操作在DCS频段的最低频道(ARFCN为512，=1,710.2MHz)且发射功率亦为最大

时(30dBm)，会对GPS接收机的值造成最大的负面冲击。因此，一般要评估手机对GPS接收机所造成

的值降低的影响，都会利用上述的无线电组态(Radio Configuration)来评估。

此外，北美地区的通用行动通讯系统(UMTS)会布建在先进无线服务频段(Advanced Wireless Service, AWS)，AWS频段的上行频段为1,710M～1,755MHz，且下行频段为2,110M～2,155MHz(和UMTS频段相同)。至于整体封包无线电服务(GPRS)在DCS频段的最低频道和UMTS在AWS频段的最低频道以最大功率发射对GPS的

值影响何者为大，笔者还没有定见。GPRS的最大发射功率为30dBm，但由于仅使用两个上行时槽(Time Slot)，因此其工作周期(Duty Cycle)仅为25%。相较之下，宽带分码多任务存取(WCDMA)的最大发射功率虽然较低(24dBm)，但其工作周期为100%。

高功率的手机讯号进入GPS LNA的大小会受到下列几项因素的影响：发射功率、分时多任务(TDMA)系统的工作周期、GPS天线和手机天线的隔离，以及GPS射频前级的表面声波(SAW)滤波器对手机发射载波频率的抑制。笔者认为TDMA系统对GPS性能的影响会比WCDMA系统要来得多，因为功率大小才是造成干扰的最主要的原因，至于工作周期的影响是比较轻的。

同频干扰成因相对复杂

同频干扰源主要有宽带噪声(Wideband Noise)和连续波干扰(Continuous Wave Interference, CWI)两种不同形式。其中宽带噪声的来源主要是GSM载波在外频的辐射落在GPS的频带内所造成，图2为GSM载波频率在

1,710MHz时频带外的辐射落在GPS频带内所产生的宽带噪声。

图2GSM载波在频带外的辐射对GPS频带所产生的宽带噪声

前述干扰型态实为外频干扰的延伸，亦即当手机频段外的辐射干扰落在GPS频段内时，会对GPS接收机造成同频干扰。这类干扰无法藉由任何射频讯号处理手段解决。此外，由于这类噪声属于宽带噪声，因此会将GPS频段的噪声

位准提高，进而导致值的降低。除了这类噪声干扰之外，GPS接收机值降低还有以下几项成因，包含TDMA系统的工作周期、手机收发机内的双功器(Diplexer)对GPS频段的抑制效果、手机发射滤波器在GPS频段的抑制效果、GPS天线和手机天线的隔离等。其中在手机发射滤波器部分，由于TDMA系统的发射时槽和接收时槽会相距三个时槽的时间，因此手机的发射滤波器在设计时通常不会将外频抑制性能纳入考虑，使得手机收发器对GPS频段的干扰难以有效处理。

至于在CWI的部分，又可以分类为纯CWI和调变的随机干扰(Modulated Random Interference, MRI)。CWI

虽然会降低GPS的值，但除非是很高功率的CWI，否则对GPS接收机整合设计而言，CWI所造成的

降低并不是主要的考虑。CWI所造成的主要负面冲击在于，由于GPS讯号的周期性(Periodicity)和同相积分(Coherent Integration)，会使得CWI严重地影响到GPS的讯号处理。CWI的来源可以是本地振荡器(LO)的谐波，例如在高通(Qualcomm)的解决方案中，VCTCXO输出频率的第八十二次谐波会落在GPS的频带内、主板上面数字频率的高次谐波，例如液晶面板本身就可能是CWI的主要来源，或行动数字电视接收机的窄频LO。MRI 的定义则是具有调变且在频谱上展开的CWI讯号，主要的来源是调幅广播的高次谐波以及内存传输线中数字频率的高次谐波。MRI因为具有调变和频谱展频的特色，因此对GPS接收机的影响远不如CWI。

GPS C/A码是金氏码的一种，且其周期为1毫秒。因此C/A码具有线频谱(Line Spectrum)的特质，如图3所示。

图3在C/A码频谱的带宽内将导航资料展频

不同的伪随机噪声码(PRN)会有不同的线频谱形状(Pattern)，因此CWI在不同的PRN码下会有不同的效应，而且这是可以被预测的。最差的频谱线意味着在这个频率之下，GPS讯号最容易受到同频CWI的影响。通常这样的频谱线会发生在PRN码具有最高的功率的线频谱上面。每一个PRN码的最差的频谱线的位置都不会一样，图4显示PRN1的线频谱，而图5则显示PRN1的线频谱的放大图。从图5中可以发现PRN1最差的线频谱会落在距离GPS中心频率42,172Hz的位置。

图4PRN1的线频谱