便携式导航设备中的GPS设计问题

vhelion

众所周知，如果设计工程师缺乏对基本硬件/射频设计和电磁干扰(EMI)问题的理解，那么其设计出的便携式导航设备(PND)、个人数字助理(PDA)、功能手机和智能手机设备中的GPS性能将将大打折扣。这其中的根本原因，就在于进行了不良的天线设计/选择，或者是无法处理内部EMI干扰。
       在开放的天空环境中，GPS信号功率电平标称值是-125dBm，如果打个比方的话，这就相当于人在芬兰去眺望一盏在日本点亮的60W灯泡(如果能看得到的话)。GPS信号电平比1W(+30dBm)的GSM发射器还要低160dB左右，因此我们常说它是一个非常微弱的信号，几乎不允许接收器设计出现任何差错。
       -125dBm信号电平基本上对应于50dBHz的SNR(信噪比或C/No)。不良的天线设计和EMI问题能使SNR减少幅度达15-20dB，这意味最大的SNR只有30-35dBHz。如此低的SNR对性能有很大的影响，因为对卫星数据的解码将变得异常困难。用户对此的感受是启动时间(TTFF)很长，总体性能极差，如位置跳动或速度漂移，更坏的情况是根本无法定位。
     天线设计
    选取便携式设备中GPS天线的准则之一是尺寸，对于尺寸受限的功能手机和智能手机而言更是如此。大多数常用的天线是GPS片状(patch)天线，因为它们相对容易调谐，性能较好。  
     GPS  L1信号是一种RHCP极化信号，频率为1.575GHz，波长为19cm。这样的波长显然需要很大的天线，除非在电气方面做得更短。这种天线一般用?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会影响天线的辐射效率，当在小块接地面(ground  plane)上安装小型片状器件时影响更大。如此小的天线将变成线性极化，而不是右旋圆形极化(RHCP)，因此会造成3dB的极化损失。有关片状天线的经验是越大越好，不仅是指器件本身，还有器件下面的接地面。没有比在70x70mm接地面上安装25x25mm的片状器件更好的了，但这显然不是便携式设备的可行选择，因此必须选择更小的天线。
        在10x10mm接地面上安装10x10mm片状器件就是一种不良的天线选择，这种天线虽然小巧便利，但由于上述原因，总损耗将达10dB左右，从而使最大SNR只有40dBHz，这还不算EMI干扰的情况。
       Fastrax公司可以为用户提供许多种天线设计，公司甚至为包括环形天线到Helical天线在内的各种项目设计过定制天线。
       EMI问题
      从GPS角度看，EMI就是GPS频率上有害的宽频噪声。便携式设备中经常会发生EMI。有趣的是，EMI噪声虽然通常都会低于任意的EMC要求指标，但却足够干扰到GPS信号。    
       重要的是，EMI会增加GPS频率上的噪声电平，最终导致SNR降低。在GPS接收端根本无法减少EMI，必须在源头对EMI进行抑制。EMI进入接收器有两种方式，一种是传导(通过导线)，一种是辐射(通过天线)。辐射的EMI通常更糟。
       便携式设备中的辐射EMI一般在10-20dB之内，它将降低同样数值的SNR，因此尽量减小EMI以保持良好的GPS性能至关重要。
       图1是典型的EMI案例(中国台湾PDA)。在不加任何修改的情况下用户只能获得30dBHz的SNR。Fastrax公司可以帮助设计师定位产生EMI的源头，并将它降低到接近零。
        基本上，Fastrax测试过的具有高速CPU和高速存储器总线的所有便携式设备都存在EMI问题。但是，如果硬件工程师能够牢记以下四点，就可以避免最为典型的系统设计错误，从而对EMI进行有效抑制，这四点就是：  
      使用统一的接地面
     使用射频屏蔽罩
     尽量减少导线数量
      避免GPS频率点的时钟谐波
     我们的目标是对PCB和器件本身使用法拉弟盒，从而将噪声保持在里面。
      在设计中，最常见的错误是硬件设计师在PCB上分割接地面，一个模拟地，一个数字地，一个射频地等等。这是由于许多电子书藉如今仍在鼓励使用独立的接地面!这完全是错误的。再也没有比所有电子器件共用一个接地面更好的了。如果非要分割的话，根据射频对偶定理，接地面的开路处将作为小型天线辐射出噪声。
       第二大错误是电子器件没有屏蔽，这意味着器件本身将辐射噪声。将所有电子器件置于射频屏蔽罩内可以很容易地解决这个问题。  EMI的另外一个潜在源是导线，例如扬声器和麦克风的导线，它们同样会像天线一样辐射EMI。一个很好的建议，是在这些导线上增加18pF的去耦电容。  最后要避免时钟谐波落进GPS频段。例如时钟频率是7.5MHz，那么它的210次谐波将正好是GPS的频率。  从解决EMI问题的角度来看，遵循这些简单的EMI指导建议可以让用户实现更优秀的硬件设计。