GPS接收机设计中的干扰问题

endlesswind

典型的GPS接收机有非常低的动态范围，其天线探测到的GPS信号的最大功率了比热噪声电平低16dB。热噪声电平通常是非常恒定的，大部分的GPS接收机使用自动增益控制（AGC）电路自动调整输入信号电平，AGC的控制范围最高可达50dB。干扰信号动态范围通比热噪声电平高6到12dB，如果干扰信号出现在GPS天线附件且其功率高于热噪声，AGC电路将受到干扰信号的影响，而将GPS信号抵制。所以GPS接收机的天线和前端一般都加入滤波电路，使GPS信号带宽外的干扰信号得到抑制，但GPS带宽附近一定频率范围内的干扰信号会对GPS信号产生严重影响。

如果GPS信号带宽范围外的信号足够强，GPS天线和前端过滤电路不足以将其抑制，AGC仍会受到其影响。另外，高电平的干扰信号也会使GPS接收机前端的放大电路产生非线性影响，使GPS接收机灵敏度降低。所以当GPS与其他RF接收与发射机集成时，需特别小心。

GPS接收机中的干扰源：
在GPS接收机中，通常有两种主要的干扰源， 一是接近GPS信号频率的强RF发射源，二是数字电路时钟频率的高次谐波。
射频干扰通常非常难解决，如果GPS与射频发射器靠得近时，通常在发射器加入滤波电路，使其发射的信号在GPS信号频率附近低于噪声电平。即便射频信号在GPS频带附近无信号，但其非常强的发射功率也能使接收机的前端放大电路饱和，从而使GPS前端放大倍数降到最小，在些情况下，需要些滤波电路放在GPS天线和接收机前端，减小干扰信号电平，使GPS前端回到放大工作状态。
时钟频率的高次谐波也是较难解决的，发射源位置是不确定的，信号的频带通常较宽。

消除数字信号干扰源的方法：
数字信号干扰是由数字信号很短的上升时间引起的，数据与地址总线纳秒范围的上长时间所发射的谐波频率会达几GHz。常用以下的方法降低干扰的影响：

1、PCB布板时使用完整的电源和地平面。
通常可用至少四层PCB板来减小辐射，对于四层板，上层放置元件，第二层用完整的地平面，第三层走较长的信号线，上层和底层走较短的信号线，每一层空余处都铺上铜与地相连。完整的地平面确保信号层信号辐射有明确的返回路径，减小线路的天线效应。所以平面必需是完整的，不能被分割或有大的孔。
外层的电源平面的范围必须在内层地平面的范围内，以避免两平面边缘组成一个狭缝型发射天线，所以最好是PCB板的每层的四周都是地平面，并且通过尽可能多的过孔将地平面相连，如果可能，在最上层加上屏蔽结构。

2、高速信号线尽可能的短。
让高速信号线尽可能短，这样可以减少噪声辐射天线（导线）的面积。另外，高速信号线也可以串联电阻或有源器件来减小此信号线上长沿或下降沿产生的高频辐射。如果电路板的绝缘层的厚度和信号线宽相当时，在信号线间加入地线来加强屏蔽作用；或者在布线时信号线的宽度两倍于电路板绝缘层厚度。

3、在电源和地网络之间加一定量的小容量的去耦电容。
在电源和地之间加大量的小容量电容而不是加小量的大容量的电容。每个电容都有一个串联的量傎小的等效电感，在高频谐振时其性能也相当于一个电感，当大量小容量电容并联时，其等效电感减小，电容量增加。
如果电源与地之间没有加足够有效电容，电源网络可能会相当于一个辐射天线。陶瓷电容有不同的绝缘材料，不同的材料有不同的温度特性，对工业应用温度范围，至少选择X5R材料的电容，其他很多材料的电容器，在高低温时，电容量会有很大的变化，造成低温时数字部分的噪声辐射增大。钽电容有很好的温度特性，但其等效串联电阻比较大，只适合于几百KHz频率范围内的应用。
另外，如果电路板中使用到连接线，如喇叭线等，此时在引线的电路板端与地之间并联一18pF的电容，减小引线的天线作用。

4、为CPU选择合适的时钟频率
CPU时钟信号的功率较高，会导致其高次谐振波信号也有较强的功率。如果为CPU选择15MHz的时间频率，则其105次谐波频率是15*105=1575MHz，刚好在GPS的民用频段1575.42MHz附近，所以此CPU时钟频率很容易给给GPS信号产生干扰。所以建议选16MHz左右的时钟频率比较理想，16*98=1568MHz，16*99=1584MHz，两种谐波都偏离了GPS民用频率1575.42MHz。

5、加屏蔽结构。
如果以上的方法仍不能有效解决EMI问题，可以用屏蔽结构来屏蔽噪声源，实际应用中，屏蔽也不是十分完美的，一般屏蔽效率在30到40dB，如果屏蔽结构上有穿孔或长的开槽，其效率会更低。所以屏蔽结构要合适，并紧密靠近电路板。屏蔽结构与PCB地平面的连接点间距在10mm以内，过长屏蔽效率同样会降低。
被屏蔽电路通常有输入、输出信号线与外电路连接，对输出信号线，可用穿心电容防止其对外电路辐射。对GPS频率范围可以用470pF的穿心电容。在有些应用中并不一定方便使用穿心电容，此时也可以应用12pF的贴片电容接在信号线和与屏蔽结构相连的地之间。另外在信号线上串联1K欧左右的电阻，或如果高直流电阻不能接受，也可串联磁珠，来降低噪声辐射。
如果GPS系统与其他系统集成在一起，两子系统之间供电电流通过电感性的地连接，此时造成地连接处产生电位差，其他系统和屏蔽结构将起一个发射天线的作用。所以在两系统之间连接线路要确保低的电感性。

6、不同PCB层地平面用过孔联接。
为了更有效地截断干扰信号的辐射，将不同的PCB层的地平面用过孔连接。（1）屏蔽边界的地线或地平面每隔3--5mm放置一个过孔穿过整个PCB板各层。（2）PCB板上GPS天线信号输入线旁边地平面每隔3--5mm放置一个过孔，GPS 信号线相邻的PCB层用地平面覆盖。（3）PCB板边缘每隔3--5mm放置一个过孔与地相连。

gmj888

happyxt

讲得还是很不错的！

笨笨的小菜鸟

不错不错,偶要好好学学

ustb-cs

不错，基础知识

amrogue

不错，学习了。顶。

lw2740

good article!

tzl1963

讲的很好，对于实际制作者无疑是很有帮助的。