多模智能移動終端中GSM和藍牙的共存性設計

引言
????? GSM和藍牙作為兩種不同的無線制式,在智能手機空間非常緊湊且PCB狹小的情況下,要求在實時語音業務中同時滿足收發工作,由GSM 收發子系統完成從智能終端到移動網絡的話音接入服務,由藍牙收發子系統完成從智能終端到藍牙無線耳機或者車載免提的短距離語音服務,就必然存在共存性設計問題。本文基于在某智能移動終端產品設計中的工程實踐,總結了設計多模無線共存系統的理論考慮和工程上的分析思路。
?
系統設計思路
????? 對于純粹的分立GSM和藍牙系統來說,因為頻段相距較遠,在同一時段內只有一個是大功率發射,而另一個是微功率發射系統,其共存性的設計挑戰并不像 IEEE802.11b/g和藍牙系統共存那么嚴峻。但是,由于在多模智能移動終端中,緊湊的電路板和布局使傳導性干擾和噪聲耦合更加強烈。移動終端內置 GSM天線成為潮流,而傳統的藍牙PCB天線或陶瓷貼片天線也是內置的情況下,則在整個狹小的空間內裝備了兩個同時工作的天線。移動臺在各種惡劣環境和復雜的無線信道中都必須滿足的實時通信需求,以及藍牙耳機要求藍牙設備和GSM系統同時收發的應用特性,這些因素共同造成了GSM和藍牙在多模移動終端中的共存性設計仍要面對工程性的困難和挑戰。
????? 在設計移動終端的實踐中,首先要考慮無線接口,兩種制式同時工作時,相互的收和發是否存在干擾。然后考慮電路設計,即這兩個子系統在如此緊湊的電路板和高密度的布線中,GSM系統的收發器架構和頻率規劃與藍牙子系統的關系造成的頻率源,濾波,屏蔽方面的考慮。此外,作為無線收發設備,在緊湊的空間中,這兩個制式的天線耦合特性和輻射模型造成的共存性問題也要妥善解決。最后還要考慮兩個子系統的電源供電思路,以及可能存在的系統頻率源的共享和分配方案。

GSM和藍牙雙模系統
共存的考慮要素
1. 對于雙模收發頻段的相互干擾,主要考慮兩個方面,藍牙發射帶外雜散對GSM接收帶內的影響和GSM發射帶外雜散對藍牙接收帶內的影響。
????? 藍牙的射頻系統工作在2.4GHz的ISM頻段,對于工作在850MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz的GSM來說,這個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手機在天線輸入端只在最大為-111dBm的雜散信號存在,且同頻載干比C/I 不超過-9dB時,才能保證GSM接收性能不會有損失。在實際系統中,如果根據經驗假定GSM和藍牙天線之間的空間損耗在10～15dB左右,就意味著只要藍牙發射器(在藍牙天線端測量到的)在GSM全頻段上的最大發射帶外雜散不超過－101～-96dBm,GSM子系統的接收性能就能得以保證。
?????? 然而在藍牙BQB認證時,在GSM帶內的雜散指標要求的標竿是遠高于此的,就是說,只滿足BQB藍牙測試的發射器要求,未必能達到不使共存的GSM系統接收性能惡化的要求。因此,在設計藍牙子系統時要格外當心。首先,芯片設計廠家會采取措施防止強的本振信號和各階交調分量落在GSM頻段內,同時,在板級設計的布局布線時也要注意隔離和防止泄漏。另外,有些比較優秀的藍牙芯片設計公司,還采用了主動引入頻率源時鐘抖動的方式,通過頻譜擴展,相對于普通方波頻率源輸入,將GSM帶內的雜散功率譜密度降低了至少10dB。
?????? 再來看GSM發射器對藍牙接收器的影響。雖然接收靈敏度的要求是-70dBm,但業界的藍牙芯片都可以達到-80dBm,甚至更好的指標。一般鑒頻器的C/I單音需求是優于-18dB的。因此,從藍牙天線端來看,其要求能容許的最大帶內單音干擾是-98dBm左右。同樣假定這個雙模終端中GSM天線到藍牙天線的空間損耗是10～15dB,這樣,GSM天線上測量到的處于藍牙帶內的發射雜散就不能超過-88～-83dBm。在GSM的FTA認證中,其EMI指標在ISM帶內的發射雜散容限標竿同樣比這個寬松。
??? 因此,如果只滿足GSM 發射器要求,可能會造成共存系統中藍牙接收器的性能惡化。故必須謹慎地分析GSM子系統的本振和頻綜的架構,并采取其它方式,盡可能消除本振泄漏和一些高階分量對藍牙接收帶內的影響,特別是GSM子系統工作在PCS頻段的時候。根據實際設計的情況,考慮過增加Tx聲表濾波器來提高帶外的抑制度,加強子系統的隔離,但同時又需要考慮由此引發的其它發射功率和效率問題。
2. 對于板級設計的頻率隔離,濾波和屏蔽,本文主要考慮三個方面,包括藍牙本振相噪對GSM相應頻點的影響,GSM和藍牙子系統的屏蔽以及GSM系統的射頻架構和頻率規劃與藍牙子系統的關系。
前面已經提到過兩個子系統在對方頻帶中的雜散所造成的危害,實際上有些時候板上的耦合途徑比天線的耦合造成的影響更大。所以本系統開發時首先分析了板級設計中的耦合途徑。第一是GSM功率放大器到藍牙接收器前端的耦合,或者是GSM/藍牙發射信號有泄漏,以某種方式通過GSM和藍牙系統之間的PCM接口或者 UART互連線直接耦合到對方系統中。如果不謹慎處理PCB走線時的EMI設計,這些接口數據線的天線效應可能會是板上輻射耦合的重要來源。第二,GSM 子系統的本振信號有可能通過某些高速信號線,如存儲器總線等泄漏出來,將開關噪聲或雜散引入到藍牙子系統。第三,GSM和藍牙子系統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雜散的相互耦合和干擾。
????????? 對于這些板級耦合干擾問題,本文采取以下思路來處理。首先盡量將兩個子系統的距離拉遠些,這樣也方便留出足夠的空間來制作屏蔽罩,以實現空間上的屏蔽和隔離;另一個考慮是用屏蔽的方式將強發射信號和弱信號分開。這兩個子系統的射頻部分都適合單獨做一個地,再分別連到系統的主地上,以減小共地造成的耦合。對于系統的主地,要盡量降低其阻抗,在選取一個盡量大的、完整的地平面的同時,還要在射頻信號途徑旁邊的地上,多采用過孔來降低回流途徑的阻抗,并減小完整信號從出發到終止點的路徑所包圍的面積,降低天線效應。

? 對于GSM子系統, 因為其發射功率遠大于藍牙子系統,對它的地,以及天線的參考地,都需要特別注意,著重防止它造成的地彈噪聲對藍牙子系統的影響。再者,從電路設計方面考慮,一般藍牙和GSM的前端LNA輸入等都是差分的,要注意前端差分線的布線和匹配電路布局的對稱性,從而提高共模抑制。如果實驗室有足夠的條件,建議分析GSM頻率分配方案和頻綜的架構,計算出本振和各個雜散頻率和交調分量是否正好落在某個藍牙的頻點上,然后采用cable傳導的方式,直接驗證并測試這些可疑頻點上GSM以最大功率工作時藍牙的性能。如果有特別差的頻點,還需要有針對性地分析布局布線或電路設計時引入的板上耦合途徑。
3. 雙天線系統輻射和耦合
???? 在智能手機這么狹小的空間中,尤其是GSM子系統普遍采用內置天線的情況下,兩個天線的距離進一步縮短,因此耦合情況更加復雜。在這個方面,本文主要考慮GSM/藍牙天線耦合特性造成的鏈路預算問題、藍牙和GSM兩個系統的收發頻帶濾波,以及GSM/藍牙天線的輻射模型。
?????? 前文已經描述了GSM的最大輸出功率是＋33dBm,這會導致藍牙接收器的阻塞。假定兩個天線耦合因子是15dB,藍牙接收器設置在最大增益模式(藍牙弱信號情況)。同時,因為GSM頻段離ISM頻段比較遠,所以主要考慮離ISM最近的DCS(1.8GHz)和PCS(1.9GHz)頻段。這兩個頻段的最大輸出功率都是30dBm。藍牙接收的ISM頻帶濾波器中心帶寬是2.442GHz,帶寬為100MHz,那么PCS的發射載波處于藍牙頻帶濾波器的約 3.4倍頻程處,DCS的發射載波處于藍牙頻帶濾波器約4.4倍頻程處。考慮最近的PCS頻段,以德州儀器的BRF6100藍牙基帶＋收發器二合一芯片為例,其接收器1dB壓縮點是-26dBm,算上3dB的容限,在PCS頻段的輸入功率不能超過-29dBm。假設在最差情況下,兩個子系統天線的耦合系數只有-10dB,那么GSM子系統在PCS頻段以最大功率發射時,藍牙的頻帶濾波器在PCS頻段上就需要有49dB的衰減,才能滿足藍牙接收器的帶外阻塞性能指標要求。如果在兩天線相互干擾較弱的情況下,雙模的天線耦合因子能降低到-15dB～-20dB,那么藍牙的接收前端聲表濾波器就只需要 44dB～39dB的衰減,便可以滿足藍牙接收鏈路預算的要求。
??????? 同樣,對于GSM子系統,也需要對藍牙輸出端對GSM造成的帶外干擾做抑制。如果考慮最接近ISM的PCS頻段,按照GSM帶內底噪-71dBm/100KHz的要求,PCS輸出噪聲功率密度為-121dBm/Hz。按PCS頻段Tx 濾波器的中心在Fo＝1.96GHz、帶寬為75MHz計算,藍牙芯片的NF是17dB,兩個子系統天線耦合因子按-20dB計算,那么在PCS輸出濾波器的3.6倍頻程處的ISM頻帶上,藍牙接收器的等效輸入噪聲為-157dBm/Hz。如果藍牙要求的耦合噪聲容限是-10dB的話,對于GSM子系統, 為了滿足PCS最大輸出功率的要求,輸出頻段的ISM帶外抑制就應該達到26dB。
?????? 除了鏈路預算以外,在實際的系統設計階段,還發現可以對GSM 發射器的VCO的噪聲、I/Q調制器的噪聲以及內部PLL造成的頻率雜散多做些考慮。當然,這些難以直接計算,所以還是靠前面提及的板級設計隔離和屏蔽、合理的PCB走線及EMC設計來避免。同時要對藍牙易受干擾的接收頻點做實際測量。一般來說,輻射干擾的最差情況發生在連續GPRS操作時,此時有可能同時阻塞藍牙的2個信道,導致誤包率上升,但是,考慮到連續GPRS和藍牙同時操作并非目前智能終端應用的主流(IP phone over GPRS還不太成熟),對實際性能影響不大,本文主要考慮單發單收的GSM話音業務,這樣處理較為簡便。對于GSM的Tx諧波,主要注意2階和3階分量, 它們一般落在藍牙的帶內,要注意按照上文的分析,給予足夠的衰減。
???? 在實際設計中應該使藍牙和GSM子系統的頻帶濾波器各自在對方的帶內分別達到35dB和26dB以上的衰減,取得了較好的效果。
?????? 然而,一味引入更大衰減的頻帶濾波器也不是最好的選擇,這樣會增大帶內有用信號的插損,降低了實際的發射效率,增加了功耗,并可能帶來輸出功率不符合型號認證的問題。所以從前面的分析可知,設法降低兩個子系統天線的耦合度,是一個更好的辦法。
?????? 本系統將兩個子系統和天線放置得盡可能遠,以增加物理空間損耗。同時,在天線匹配電路的設計上,在藍牙端盡量采用高通濾波網絡來匹配,而GSM子系統的天線匹配策略采用低通網絡的方式,這樣達到了附加的抑制效果。有設備條件或者和專業天線廠家合作的情況下,還可以調整天線的極化和方向圖,比如讓GSM的天線處于XY平面,而藍牙天線極化方向處于XZ平面,在測試方向圖時注意觀察和調整,同時在設計天線擺放位置和電流流向時加以恰當考慮,也能對降低耦合因子有一定效果。選用盡量窄帶的天線也能減小兩個子系統天線間的耦合因子,但這會提高天線設計的難度。如果有條件可進行仿真和計算,但是在實際開發過程中,這些都以工程測試的結果為準。
4. 系統級共存設計考慮
???????? 對于這兩個子系統的供電設計,在開發過程中首要考慮的是如何降低這兩個收發器之間開關噪聲通過電源系統造成的耦合,然后是大功率的GSM發射時造成的電源瞬間壓降對藍牙系統的影響,最后就是地彈噪聲的處理。在各個電源處合理采用退耦電容是常識,而對于GSM子系統,因為對電源瞬態響應要求高,需要大幅加寬電源線,并提供大的電容做穩壓。對于藍牙子系統,為了降低電源上的瞬態壓降,也需要盡量降低電源線阻抗,并提供大電容穩壓。在便攜系統設計中,走線密度往往過高,造成單獨電源面的制作比較困難,所以要注重電源線的布線,讓它和主地之間的回流途徑盡可能靠近,如果電源線能走在主地的鄰接層,其EMI特性會更加理想。對于藍牙芯片供電,除了要采用高PSRR的LDO,還要注意這個穩壓器的布線優化,并增大它的輸出電容,本文的做法是實際的電源優化要在大功率工作的同時進行,在工程實踐中調整。為了減小地彈噪聲,還要注意主地層的完整,以及前文提到的單獨做兩個射頻地或者其它分割策略。
?????? 對于系統頻率源的共享和分配,考慮到小體積的智能移動終端電路板面積極為緊張,因此最好能共享一個頻率源。此時要防止共源造成的噪聲和雜散傳導耦合,因此,必要的濾波和匹配是不可或缺的。同時,要注意兩個子系統對頻率源的穩定性要求,通常,GSM子系統的頻率源在同步信道解調成功后是受控的,而藍牙子系統只是利用頻率源產生本振后,和同步信道簡單匹配來判斷設備是否同步,并沒有特別的AFC機制來控制頻率源,所以,當GSM系統為了省電需要關閉GSM輸入的時鐘源而藍牙仍需要穩定工作時,還需要設計一個簡單合理的門控時鐘來提供請求與仲裁機制,以保證兩者都可以按需使用時鐘,而兩者都不用時,系統能完成時鐘的關斷,同時,GSM不工作時還需要保持時鐘源的穩定性,以滿足藍牙的初始時鐘穩定性要求。
結語
??? 本文的智能終端設計,在常規的手機空間中滿足了GSM和藍牙型號認證發射和接收的各項指標要求,在GSM最大功率發射時,也能在5～7米的距離內用藍牙耳機清晰地通話,通過以上思路和措施,合理完成了這個雙模系統的共存性設計。本文總結了開發過程中的思考方法和工程經驗,希望起到拋磚引玉的作用,給無線便攜系統設計工程師提供一些參考。