使用前置滤波器LNA模块改善同步操作GPS的接收器灵敏度

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前言
随着时代的演进，移动电话已因加入如WiFi、蓝牙和GPS等无线通讯技术变得越来越复杂，而越来越多的无线信号也令设计工程师必须利用强大的滤波技术来避免手机设计中面临的干扰问题，特别是全球定位系统(GPS)功能。
对于同步全球定位系统S-GPS，GPS信号的接收以及语音或数据信号的传送会在手机中同时发生，而语音或数据发送信号可能会泄漏到GPS的接收路径，造成低噪声放大器或后端电路的过载，影响接收器的灵敏度。这给手机设计工程师带来了强大的挑战，因为他们必须决定如何在微弱的GPS输入信号下维持接收器的灵敏度，同时还得面对语音或数据发送信号的干扰。这就需要一个具有非常良好的强大干扰信号屏蔽能力，并且可以提供低噪声系数和微弱GPS信号高增益的GPS接收器前端。
集成低插入损耗高屏蔽能力FBAR滤波器到低噪声放大器
前置滤波器可以用来屏蔽强大干扰信号避免流入GPS接收器路径，依Friis方程，第一级电路的噪声系数或插入损耗主要取决于接收器链的噪声系数，只要后方电路拥有合理的增益。因此，要达到前面提到的目标，设计工程师必须集成一个具有低插入损耗、高带外抑制能力以及低噪声高增益且线性度良好的放大器。
一个具备这些特性的GPS前端模块产品范例来自安华高科技(Avago Technologies)公司，由薄膜腔声谐振滤波器和GaAs增强模式伪形态高电子迁移率晶体管低噪声放大器组合而成。FBAR是一个可以提供高Q值小型滤波器，带来陡峭滚降滤波和强固带外抑制能力的专有技术，通过集成滤波器，模块可以屏蔽接近1.575GHz GPS信号的干扰信号，并维持放大器的低噪声系数。作为范例，卫星电话的通信频带使用非常接近GPS频率的1.62GHz信号，因此需要一个具有陡峭滚降滤波能力的滤波器来屏蔽信号而不会显著衰减带内的GPS信号。
由于噪声系数通常由接收器路径的第一级电路决定，因此，在模块的第一级电路集成低损耗FBAR滤波器，并随后加上GaAs低噪声放大器可以带来具有极低噪声系数和高带外屏蔽能力的最佳GPS接收器。
射频性能表现
表１中总结了三款具有不同前置滤波、后置滤波和放大器组合GPS模块的射频性能表现，前两个模块在第一级电路集成一个FBAR滤波器，并在之后加上一个低噪声放大器，其中第二个并加入额外的后置滤波器。第三个模块则是低噪声放大器加上后置滤波器的组合。
  
表1 安华高科技公司不同滤波器和放大器组合GPS模块产品的射频性能表现和简化功能框图。

由表1我们可以看到，前两个模块对于干扰信号的屏蔽能力优秀许多，ALM-1912和ALM-2712在蜂窝频带、PCS频带和WiFi频带的带外输入P1dB要比在低噪声放大器前未带有滤波器的ALM-1412好上许多，高带外P1dB意味着模块可以在强大干扰信号下正常工作，不会造成放大器饱和。
测量和测试配置
为了进一步详细了解这三款不同滤波器和放大器组合模块的性能表现，以下的比较显示了表1中三个模块在干扰信号情况下的屏蔽能力。测量通过监视模块噪声系数在特定功率水平干扰信号下的劣化情形进行，在测量中使用接近GPS频率，可能对GPS频率噪声系数影响最大的1.62GHz干扰信号。图2为进行测量的测试配置。

  
图１ GPS 接收器(Rx)前端的简化功能框图

  
图2 测量出现干扰信号下噪声系数劣化情形的测试配置。
  
图3 串接陷波滤波器和带通滤波器的滤波响应。
信号产生器产生一个位于干扰频率的持续信号波，功率组合器结合干扰信号和噪声源，接着把组合后的信号送到GPS模块来测量各自的噪声系数。
在干扰信号和噪声源组合前存在一个外部前置放大器放大干扰信号，噪声系数分析仪可以监视并接收极低本底噪声的信号，任何来自干扰源的额外噪声都非常重要，因此被涵盖在噪声系数的测量中。位于GPS频率的高本底噪声干扰源可能造成干扰源本底噪声的测量而非模块本身噪声系数的测量。为了保证噪声系数的测量不会包含额外的本底噪声，配置中使用滤波器衰减GPS频率的干扰信号以抑制信号和噪声。
如前所讨论，要使测试正确且精密进行必须对GPS频率干扰信号的本底噪声有高抑制能力。由图2我们可以看到，在干扰信号源安排带通滤波器可以滤除干扰信号的谐波。另外，放置在带通滤波器后方的两个陷波滤波器可以抑制GPS频率干扰信号的本底噪声。图3显示二个串接陷波滤波器和带通滤波器的频率响应，串接滤波器在1.575GHz提供100dB的衰减以及1.62GHz干扰信号频率的低损耗。

对于受测器件，也就是GPS模
块后方的测试配置，安排在噪声系数分析仪前方的GPS带通滤波器可以屏蔽强大干扰信号避免进入噪声系数分析仪，帮助分析仪避免受到强大干扰信号影响而过载。
测量结果讨论
图4显示了三个模块在强大1.62GHz干扰信号下噪声系数的劣化情况，主要以无干扰信号下各模块的噪声系数为参考，测量结果则基于图2中的测试配置。

  
图4 噪声系数劣化相对于干扰信号强度的关系
对于第一级电路中未带有前置滤波器的ALM-1412模块，在干扰信号达到-10dBm功率水平前噪声系数的劣化就超过1dB，而ALM-1912和ALM-2712模块则在噪声系数上没有影响，甚至当干扰信号的功率水平达到20dBm时也没有。
非常明显，带有前置滤波器的GPS模块对于强大干扰信号有着更好的抑制能力，在这个例子中，测量数据显示，比起放大器前未带有滤波器的ALM-1412模块，带有前置滤波器的ALM-1912和ALM-2712模块对于强大干扰信号的抵抗能力要好上许多。
结论
总的来说，在第一级电路集成FBAR滤波器可以提供对抗干扰信号更好的噪声系数性能表现，FBAR滤波器的低插入耗损对于放大器噪声系数的影响最小，因此，带有低插入耗损和高带外抑制能力FABR前置滤波器的GPS放大器模块提供了GPS接收器链的最佳方案，另一个额外好处是，所有部件集成到小型模块封装内可以节省电路板空间和设计完成时间。