3 高性能GPS低噪声放大器对系统性能的提升
如图1所示,传统的GPS系统解决方案为GPS贴片电感直接与GPS接收IC相连接,该方案具有BOM成本低,占用手机内部空间小,布线简单等优点,但不可忽视的是,该方案的性能指标受到了一定的限制。由于手机内部和周边环境的射频干扰非常嘈杂,GPS接收IC往往会受其影响而导致接收性能下降;除此之外,由于受手机PCB布线局限,GPS贴片天线一般距离接收IC较远,两者之间的PCB走线插损也对系统性能造成了不可忽视的影响。
图1 传统的GPS系统解决方案和改进方案对比
改进方案则加入了SAW滤波器和AW5005 GPS前置低噪声放大器,SAW滤波器可以有效滤除带外射频信号的干扰,低噪声放大器则进一步降低了系统的噪声系数,有效的提高了系统性能。上海艾为电子技术有限公司推出了全新的GPS前置低噪声放大器AW5005,相对于传统方案,AW5005极为有效的提高了GPS系统性能,降低了复杂射频环境下的GPS系统设计难度。
图2所示为没有AW5005和加入AW5005的GPS系统在不同灵敏度下的首次定位时间TTFF的区别。从图2可以看出,无论在高低灵敏度条件下,拥有AW5005的系统TTFF远远小于缺少AW5005的GPS系统。
图2 没有/加入AW5005前端模块的GPS系统在不同灵敏度下的TTFF
我们由公式(3)可知,接收IC前端的噪声系数会影响系统的灵敏度。对于图1中的改进方案,系统的级联噪声系数可由下式决定:
(5)
式(5)中,ILSAW为SAW滤波器的插损,NFLNA和PGLNA分别为LNA的噪声系数和功率增益,ILTRACE为走线插损,NFRX为接收IC的噪声系数。从式(5)可知LNA的噪声系数直接影响灵敏度,在相同的灵敏度要求下,LNA噪声系数越小,首次定位时间也随之变小,其变化的趋势如图3所示。同理TTFF随LNA的功率增益变化趋势如图所示,LNA的功率增益越大,TTFF越小,当LNA的增益较小时,TTFF的变化趋势较快;当LNA的功率增益大于16dB时,TTFF受其影响变小。
图3 系统TTFF随LNA噪声系数和功率增益的变化曲线
LNA之前的SAW滤波器可以有效的滤除带外的射频干扰。但是正如前文分析的,GPS的输入信号非常微弱,目前绝大多数的商用SAW滤波器的带外抑制都较为有限,即使经过SAW滤波器的干扰信号依然对GPS的输入信号造成了严重的影响,因此LNA的线性度就至关重要:在相同的输入信号强度下,线性度较差的LNA所需的首次定位时间要比线性度好的LNA长。按照带外干扰信号的类型来划分,主要有如下三种:
(1)带外强干扰造成LNA增益下降,噪声系数上升。
一般手机在GSM频段的最高发射功率可达33dBm,假定GSM天线到GPS/WLAN天线的隔离度为20dB(包括天线之间的VSWR失配),SAW滤波器的带外抑制为30dB,则LNA输入端看到的最大输入信号功率为-17dBm,当手靠近手机时GSM天线的VSWR会发生明显变化,该强干扰信号的强度可能会高达-15dBm,如此强的干扰会导致LNA输入饱和,从而其功率增益和噪声系数会恶化,GPS系统性能受到严重影响。
图4 系统TTFF随LNA 1dB压缩点的变化曲线
图4所示是TTFF随LNA的1dB压缩点P1dB的变化趋势。带外干扰强度为-15dBm,GPS系统的输入信号强度为-165dBm。从图中可以看出,即使P1dB高于带外干扰信号的强度,其首次定位时间TTFF仍然受到较大的影响;而当P1dB远高于带外干扰信号后TTFF受P1dB的影响变得微乎其微。AW5005可以提高高达-7.6dBm的1dB压缩点,远高于业界同类产品的水平,确保GPS系统不会因为带外强干扰而性能恶化。