3 高性能GPS低噪聲放大器對系統性能的提升

　　如圖1所示，傳統的GPS系統解決方案為GPS貼片電感直接與GPS接收IC相連接，該方案具有BOM成本低，占用手機內部空間小，布線簡單等優點，但不可忽視的是，該方案的性能指標受到了一定的限制。由于手機內部和周邊環境的射頻干擾非常嘈雜，GPS接收IC往往會受其影響而導致接收性能下降；除此之外，由于受手機PCB布線局限，GPS貼片天線一般距離接收IC較遠，兩者之間的PCB走線插損也對系統性能造成了不可忽視的影響。

　　圖1 傳統的GPS系統解決方案和改進方案對比

　　改進方案則加入了SAW濾波器和AW5005 GPS前置低噪聲放大器，SAW濾波器可以有效濾除帶外射頻信號的干擾，低噪聲放大器則進一步降低了系統的噪聲系數，有效的提高了系統性能。上海艾為電子技術有限公司推出了全新的GPS前置低噪聲放大器AW5005，相對于傳統方案，AW5005極為有效的提高了GPS系統性能，降低了復雜射頻環境下的GPS系統設計難度。

　　圖2所示為沒有AW5005和加入AW5005的GPS系統在不同靈敏度下的首次定位時間TTFF的區別。從圖2可以看出，無論在高低靈敏度條件下，擁有AW5005的系統TTFF遠遠小于缺少AW5005的GPS系統。

　　圖2 沒有/加入AW5005前端模塊的GPS系統在不同靈敏度下的TTFF

　　我們由公式（3）可知，接收IC前端的噪聲系數會影響系統的靈敏度。對于圖1中的改進方案，系統的級聯噪聲系數可由下式決定：

　　　　（5）

　　式（5）中，ILSAW為SAW濾波器的插損，NFLNA和PGLNA分別為LNA的噪聲系數和功率增益，ILTRACE為走線插損，NFRX為接收 IC的噪聲系數。從式（5）可知LNA的噪聲系數直接影響靈敏度，在相同的靈敏度要求下，LNA噪聲系數越小，首次定位時間也隨之變小，其變化的趨勢如圖 3所示。同理TTFF隨LNA的功率增益變化趨勢如圖所示，LNA的功率增益越大，TTFF越小，當LNA的增益較小時，TTFF的變化趨勢較快；當 LNA的功率增益大于16dB時，TTFF受其影響變小。

　　圖3 系統TTFF隨LNA噪聲系數和功率增益的變化曲線

　　LNA之前的SAW濾波器可以有效的濾除帶外的射頻干擾。但是正如前文分析的，GPS的輸入信號非常微弱，目前絕大多數的商用SAW濾波器的帶外抑制都較為有限，即使經過SAW濾波器的干擾信號依然對GPS的輸入信號造成了嚴重的影響，因此LNA的線性度就至關重要：在相同的輸入信號強度下，線性度較差的LNA所需的首次定位時間要比線性度好的LNA長。按照帶外干擾信號的類型來劃分，主要有如下三種：

　　（1）帶外強干擾造成LNA增益下降，噪聲系數上升。

　　一般手機在GSM頻段的最高發射功率可達33dBm，假定GSM天線到GPS/WLAN天線的隔離度為20dB（包括天線之間的VSWR失配），SAW 濾波器的帶外抑制為30dB，則LNA輸入端看到的最大輸入信號功率為-17dBm，當手靠近手機時GSM天線的VSWR會發生明顯變化，該強干擾信號的強度可能會高達-15dBm，如此強的干擾會導致LNA輸入飽和，從而其功率增益和噪聲系數會惡化，GPS系統性能受到嚴重影響。

　　圖4 系統TTFF隨LNA 1dB壓縮點的變化曲線

　　圖4所示是TTFF隨LNA的1dB壓縮點P1dB的變化趨勢。帶外干擾強度為-15dBm，GPS系統的輸入信號強度為-165dBm。從圖中可以看出，即使P1dB高于帶外干擾信號的強度，其首次定位時間TTFF仍然受到較大的影響；而當P1dB遠高于帶外干擾信號后TTFF受P1dB的影響變得微乎其微。AW5005可以提高高達-7.6dBm的1dB壓縮點，遠高于業界同類產品的水平，確保GPS系統不會因為帶外強干擾而性能惡化。

　　（2）帶外雙音信號經過LNA產生的三階交調項（Inter-modulation）落在GPS帶內。

　　一個典型的例子是PCS-1900和GSM-1800的帶外雙音信號經過LNA后產生的交調項正好落在GPS帶內。PCS-1900的發射頻率為 1851MHz，發射功率為24dBm，假定發射天線距離GPS天線1米，從而在GPS天線處看到的干擾信號強度為-20dBm，經過濾波器在LNA輸入端看到了功率為-60dBm。而GSM-1800的發射頻率為1713MHz，發射功率為+36dBm，在GPS天線端看到的信號強度為21dBm，則經過濾波器后的強度為-19dBm。經過LNA后，該雙音信號產生的三階交調項頻率為：2×1713MHz-1851MHz=1575MHz，正好落在 GPS信號帶內，從而惡化了GPS系統的性能。等效到LNA輸入端口看到的交調項強度可由下式表示：

　　Pint=2PGSM+PPCS-2IIP3 （6）

　　式（6）中PGSM和PPCS分別為雙音信號的強度，IIP3為LNA的輸入三階交調點。而帶內的干擾信號對GPS系統的信噪比影響如下式［5］：

　　　　（7）

　　式（7）中，C/N0為沒有干擾信號時的系統載噪比（carrier-to-noise-density-ratio），Pin為LNA輸入端口看到的輸入信號強度，Q為擴頻增益因子，窄帶干擾時為1，寬帶擴頻干擾時為1.5，寬帶噪聲干擾時為2；Rb為GPS偽隨機碼率，當GPS信號為C/A碼是Rb 等于1.023M，因此可以得到TTFF隨LNA的IIP3指標變化趨勢如下圖所示。AW5005可提供高達+6.5dBm的三階交調點IIP3，有效的減小了帶外多個干擾源對GPS系統的影響。

　　圖5 交調干擾下系統TTFF隨LNA 三階交調點的變化曲線

　　（3）帶外寬帶干擾可在單頻強干擾的條件下產生互調項（Cross-modulation）落在GPS帶內。

　　除了雙音信號的交調項，某個窄帶強干擾（Blocker）和寬帶干擾信號依然可以產生帶內的互調項從而影響性能。比如，GPS手機鄰近的移動設備無線局域網（WLAN）正在工作，最大發射功率為20dBm，則LNA輸入端接收到的信號功率為：

　　　　（8）

　　式（8）中，F為WLAN發射源到手機GPS天線的衰減，λ為波長，BWWLAN和BWGPS分別為WLAN和GPS的信號帶寬，假定d為1米，PTX 等于17dBm，由此計算得到LNA輸入端接收到的WLAN信號強度約為-60dBm；另一強干擾源為GSM-1800，經過濾波器的強度為 -19dBm，從而得到互調項的強度如下式［6］：

　　　　（9）

　　式（9）中，PWLAN和PGSM分別為LNA輸入端看到的WLAN和GSM信號強度，Cfactor為考慮到采用IIP3來表征互調的校準因子。將互調項代入式（7），并且考慮到寬帶擴頻信號干擾時的校準因子Q等于1.5，可以得到TTFF隨IIP3的變化曲線如圖6所示。LNA在IIP3分別等于 -5dBm和+5dBm時，首次定位時間最大相差15倍，由72秒減小至4.7秒。現在的移動設中，WLAN已經是標準配置，AW5005則讓內置GPS 在WLAN的干擾信號下隨時隨地放心工作。

　　圖6 互調干擾下系統TTFF隨LNA 三階交調點的變化曲線