在開放的天空環境中,GPS信號功率電平標稱值是-125dBm,如果打個比方的話,這就相當于人在芬蘭去眺望一盞在日本點亮的60W燈泡(如果能看得到的話)。GPS信號電平比1W(+30dBm)的GSM發射器還要低160dB左右,因此我們常說它是一個非常微弱的信號,幾乎不允許接收器設計出現任何差錯。

-125dBm信號電平基本上對應于50dBHz的SNR(信噪比或C/No)。不良的天線設計和EMI問題能使SNR減少幅度達15-20dB,這意味最大的SNR只有30-35dBHz。如此低的SNR對性能有很大的影響,因為對衛星數據的解碼將變得異常困難。用戶對此的感受是啟動時間(TTFF)很長,總體性能極差,如位置跳動或速度漂移,更壞的情況是根本無法定位。

天線設計

選取便攜式設備中GPS天線的準則之一是尺寸,對于尺寸受限的功能手機和智能手機而言更是如此。大多數常用的天線是GPS片狀(patch)天線,因為它們相對容易調諧,性能較好。

GPS L1信號是一種RHCP極化信號,頻率為,波長為19cm。這樣的波長顯然需要很大的天線,除非在電氣方面做得更短。這種天線一般用?r>1的陶瓷材料制作。?r越高,器件就可以做得越小。然而提高?r會影響天線的輻射效率,當在小塊接地面(ground plane)上安裝小型片狀器件時影響更大。如此小的天線將變成線性極化,而不是右旋圓形極化(RHCP),因此會造成3dB的極化損失。有關片狀天線的經驗是越大越好,不僅是指器件本身,還有器件下面的接地面。沒有比在70x70mm接地面上安裝25x25mm的片狀器件更好的了,但這顯然不是便攜式設備的可行選擇,因此必須選擇更小的天線。

在10x10mm接地面上安裝10x10mm片狀器件就是一種不良的天線選擇,這種天線雖然小巧便利,但由于上述原因,總損耗將達10dB左右,從而使最大SNR只有40dBHz,這還不算EMI干擾的情況。

Fastrax公司可以為用戶提供許多種天線設計,公司甚至為包括環形天線到Helical天線在內的各種項目設計過定制天線。

EMI問題

從GPS角度看,EMI就是GPS頻率上有害的寬頻噪聲。便攜式設備中經常會發生EMI。有趣的是,EMI噪聲雖然通常都會低于任意的EMC要求指標,但卻足夠干擾到GPS信號。

重要的是,EMI會增加GPS頻率上的噪聲電平,最終導致SNR降低。在GPS接收端根本無法減少EMI,必須在源頭對EMI進行抑制。EMI進入接收器有兩種方式,一種是傳導(通過導線),一種是輻射(通過天線)。輻射的EMI通常更糟。

便攜式設備中的輻射EMI一般在10-20dB之內,它將降低同樣數值的SNR,因此盡量減小EMI以保持良好的GPS性能至關重要。

圖1是典型的EMI案例(臺灣PDA)。在不加任何修改的情況下用戶只能獲得30dBHz的SNR。Fastrax公司可以幫助設計師定位產生EMI的源頭,并將它降低到接近零。

基本上,Fastrax測試過的具有高速CPU和高速存儲器總線的所有便攜式設備都存在EMI問題。但是,如果硬件工程師能夠牢記以下四點,就可以避免最為典型的系統設計錯誤,從而對EMI進行有效抑制,這四點就是:

*?使用統一的[d1]接地面

*?使用射頻屏蔽罩

*?盡量減少導線數量

*?避免GPS頻率點的時鐘諧波

我們的目標是對PCB和器件本身使用法拉弟盒,從而將噪聲保持在里面。

在設計中,最常見的錯誤是硬件設計師在PCB上分割接地面,一個模擬地,一個數字地,一個射頻地等等。這是由于許多電子書藉如今仍在鼓勵使用獨立的接地面!這完全是錯誤的。再也沒有比所有電子器件共用一個接地面更好的了。如果非要分割的話,根據射頻對偶定理,接地面的開路處將作為小型天線輻射出噪聲。

第二大錯誤是電子器件沒有屏蔽,這意味著器件本身將輻射噪聲。將所有電子器件置于射頻屏蔽罩內可以很容易地解決這個問題。

EMI的另外一個潛在源是導線,例如揚聲器和麥克風的導線,它們同樣會像天線一樣輻射EMI。一個很好的建議,是在這些導線上增加18pF的去耦電容。

最后要避免時鐘諧波落進GPS頻段。例如時鐘頻率是,那么它的210次諧波將正好是GPS的頻率。

從解決EMI問題的角度來看,遵循這些簡單的EMI指導建議可以讓用戶實現更優秀的硬件設計。

F1:    

F2:避免分割接地面    

F3 :使用射頻屏蔽罩[d2]    

供稿:Fastrax公司