手機GPS接收靈敏度

1、手機GPS接收靈敏度上層樓厘清訊號干擾為治本之道新通訊2008年11月號93期文賴盈霖在九十二期專欄中已針對全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)接收機和手機芯片整合模式進行完整介紹，同時亦剖析模擬和數(shù)字基頻接口的設計考慮；本期專欄將繼續(xù)探討GPS與手機芯片整合時，手機電路對GPS接收機的干擾問題。手機系統(tǒng)對GPS干擾問題重重GPS接收機和手機整合最容易面臨的問題便是來自手機和主板的干擾會導致GPS接收機靈敏度(Sensitivity)降低、C/N.值降低以及造成衛(wèi)星誤判(FalseAlarm)。一般說來，手機系統(tǒng)對GPS的干擾可以分類為外頻(Out-of-band)和同頻(In-band)干擾。圖1所示

2、為干擾源的樹形圖。圖1GPS接收機干擾源樹形圖手機射頻為GPS外頻干擾元兇外頻干擾主要是成因為手機發(fā)射機所發(fā)射的高功率載波。一般手機的發(fā)射功率在全球行動通訊(GSM)頻段最高發(fā)射功率可達33dBm,在DCS頻段最高發(fā)射功率亦可達30dBm；就平均發(fā)射功率而言，手機的發(fā)射功率通常在20dBm以上。相較之下，衛(wèi)星訊號抵達GPS接收機天線的功率在戶外約為-130dBm,而在室內(nèi)則降低到-150dBm左右。雖然手機所發(fā)射的高功率載波落在GPS的外頻，但這兩種訊號的功率位準相差甚大(可達150180dBm),再加上低噪聲放大器(LNA)本身是一種寬帶的組件，因此會對第一級低噪聲放大器產(chǎn)生非線性效應。此一

3、非線性效應會在GPS接收機內(nèi)產(chǎn)生訊號飽合(Saturation)、壓縮(Compression)和互調(diào)變(Inter-modulation),進而導致GPS接收機值的降低，甚至產(chǎn)生同頻的干擾訊號。GPS的操作頻率為1,575.42MHz,因此當手機操作在DCS頻段時會對GPS接收機的值造成最大的影響。理論上，當手機操作在DCS頻段的最低頻道(ARFCN為512，=1,710.2MHz)且發(fā)射功率亦為最大時(30dBm),會對GPS接收機的值造成最大的負面沖擊。因此，一般要評估手機對GPS接收機所造成C/Nq的值降低的影響，都會利用上述的無線電組態(tài)(RadioConfiguration)來評估。

4、此外，北美地區(qū)的通用行動通訊系統(tǒng)(UMTS)會布建在先進無線服務頻段(AdvaneedWirelessService,AWS)，AWS頻段的上行頻段為1,710M1,755MHz，且下行頻段為2,110M2,155MHz(和UMTS頻段相同)。至于整體封包無線電服務(GPRS)在DCS頻段的最低頻道和UMTS在AWS頻段的最低頻道以最大功率發(fā)射對GPS的CfN.值影響何者為大，筆者還沒有定見。GPRS的最大發(fā)射功率為30dBm，但由于僅使用兩個上行時槽(TimeSlot)，因此其工作周期(DutyCycle)僅為25%。相較之下，寬帶分碼多任務存取(WCDMA)的最大發(fā)射功率雖然較低(24dB

5、m),但其工作周期為100%。高功率的手機訊號進入GPSLNA的大小會受到下列幾項因素的影響：發(fā)射功率、分時多任務(TDMA)系統(tǒng)的工作周期、GPS天線和手機天線的隔離，以及GPS射頻前級的表面聲波(SAW)濾波器對手機發(fā)射載波頻率的抑制。筆者認為TDMA系統(tǒng)對GPS性能的影響會比WCDMA系統(tǒng)要來得多，因為功率大小才是造成干擾的最主要的原因，至于工作周期的影響是比較輕的。同頻干擾成因相對復雜同頻干擾源主要有寬帶噪聲(WidebandNoise)和連續(xù)波干擾(ContinuousWaveInterferenee,CWI)兩種不同形式。其中寬帶噪聲的來源主要是GSM載波在外頻的輻射落在GPS的頻

6、帶內(nèi)所造成，圖2為GSM載波頻率在1,710MHz時頻帶外的輻射落在GPS頻帶內(nèi)所產(chǎn)生的寬帶噪聲。Out-of-bandwjcctian和G?SBuildAmphtudeFrequencyIn-channelGSMcarrierat1,710M7/Out-of-channel圖2GSM載波在頻帶外的輻射對GPS頻帶所產(chǎn)生的寬帶噪聲前述干擾型態(tài)實為外頻干擾的延伸，亦即當手機頻段外的輻射干擾落在GPS頻段內(nèi)時，會對GPS接收機造成同頻干擾。這類干擾無法藉由任何射頻訊號處理手段解決。此外，由于這類噪聲屬于寬帶噪聲，因此會將GPS頻段的噪聲C/Nqc/nq位準提高，進而導致值的降低。除了這類噪聲干擾之

7、外，GPS接收機值降低還有以下幾項成因，包含TDMA系統(tǒng)的工作周期、手機收發(fā)機內(nèi)的雙功器(Diplexer)對GPS頻段的抑制效果、手機發(fā)射濾波器在GPS頻段的抑制效果、GPS天線和手機天線的隔離等。其中在手機發(fā)射濾波器部分，由于TDMA系統(tǒng)的發(fā)射時槽和接收時槽會相距三個時槽的時間，因此手機的發(fā)射濾波器在設計時通常不會將外頻抑制性能納入考慮，使得手機收發(fā)器對GPS頻段的干擾難以有效處理。至于在CWI的部分，又可以分類為純CWI和調(diào)變的隨機干擾(ModulatedRandomInterferenee,MRI)。CWIC/Nq雖然會降低GPS的值，但除非是很高功率的CWI，否則對GPS接收機整合設

8、計而言，CWI所造成的CfN.降低并不是主要的考慮。CWI所造成的主要負面沖擊在于，由于GPS訊號的周期性(Periodicity)和同相積分(CoherentIntegration),會使得CWI嚴重地影響到GPS的訊號處理。CWI的來源可以是本地振蕩器(LO)的諧波，例如在高通(Qualcomm)的解決方案中，VCTCXO輸出頻率的第八十二次諧波會落在GPS的頻帶內(nèi)、主板上面數(shù)字頻率的高次諧波，例如液晶面板本身就可能是CWI的主要來源，或行動數(shù)字電視接收機的窄頻LO。MRI的定義則是具有調(diào)變且在頻譜上展開的CWI訊號，主要的來源是調(diào)幅廣播的高次諧波以及內(nèi)存?zhèn)鬏斁€中數(shù)字頻率的高次諧波。MRI

9、因為具有調(diào)變和頻譜展頻的特色，因此對GPS接收機的影響遠不如CWI。GPSC/A碼是金氏碼的一種，且其周期為1毫秒。因此C/A碼具有線頻譜(LineSpectrum)的特質，如圖3所示。圖3在C/A碼頻譜的帶寬內(nèi)將導航資料展頻不同的偽隨機噪聲碼(PRN)會有不同的線頻譜形狀(Pattern),因此CWI在不同的PRN碼下會有不同的效應，而且這是可以被預測的。最差的頻譜線意味著在這個頻率之下，GPS訊號最容易受到同頻CWI的影響。通常這樣的頻譜線會發(fā)生在PRN碼具有最高的功率的線頻譜上面。每一個PRN碼的最差的頻譜線的位置都不會一樣，圖4顯示PRN1的線頻譜，而圖5則顯示PRN1的線頻譜的放大圖

10、。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)PRN1最差的線頻譜會落在距離GPS中心頻率42,172Hz的位置。6511.5頻率(10MHz)10a0003,000功E0QQ率4,0002,000圖4PRN1的線頻譜1GpttOO8,000功6,000率4h0002.000L3.544.5頻率針Qk曲）圖5PRN1的最差的頻譜線展頻過的數(shù)據(jù)抵達接收機天線時會存在兩種干擾訊號：寬帶噪聲和窄頻干擾訊號（類似CWI）。接收到的GPS訊號在和本地所產(chǎn)生的PRN碼進行相關運算之后會將CWI分布在每一個線頻譜上（圖6）。CVUU兇巧曲申叩郵稠*觀欣楫和h口屏61喚圖6在相關運算之后CWI被分布在每一個線頻譜上接收機的解擴展（Des

11、pread）就是將接收機本地所產(chǎn)生的PRN碼乘上取樣的訊號，寬帶噪聲會被均勻的散布頻帶內(nèi)而CWI則會被復制成線頻譜。只有當干擾訊號（寬帶噪聲和CWI）落入追蹤回路的低通濾波器的帶寬內(nèi)時，才會和導航資料一起被濾出（圖7）。II-h圖7干擾訊號落在追蹤回路的帶寬內(nèi)時會和導航數(shù)據(jù)一起被濾出C/叫因為都卜勒效應的緣故，不同衛(wèi)星在不同的時段會受到CWI的影響而導致的降低。CWI對衛(wèi)星的C/Nn的影響和衛(wèi)星的都卜勒頻率與PRN碼本身有關。都卜勒變化率會影響到衛(wèi)星溝槽的寬度，而PRN碼則會決定衛(wèi)星的受到CWI影響的時段。此外，特定PRN碼的線頻譜和CWI的頻率相同時，CWI亦會影響到溝槽的深度。C/叫GPS

12、衛(wèi)星值可以藉由下列公式計算出來:ctN二（?X血嘆匚他+（C八iwSM）其中/V：熱噪聲的功率:噪聲的處理增益（ProcessingGain）:.訊號的積分時間長度a7：訊號碼相位的位移（以碼片為單位）估算的載波頻率，/.CWI的載波頻率,Cj第j條頻譜線的系數(shù)R、(:？接收到的C/A碼和接收機所產(chǎn)生相同C/A碼的互相關CfN.圖8顯示衛(wèi)星1在不同的都卜勒頻率下利用公式所計算的。假設CWI的頻率距離GPS頻段中心為14kHz。CfNCfN從圖8中可以發(fā)現(xiàn)當CWI和C/A碼的線頻譜一致時會有溝槽產(chǎn)生(當沒有CWI時值應為一常數(shù))，溝槽的頻率會落在1kHz的整數(shù)倍且不同的頻率下溝槽的深度會不同。I

13、自L上I01.0002.0003.0004.0005.0006.0007；0008.000玄000都卜勒頻神韻圖8衛(wèi)星1的C/N0值在有CWI時所產(chǎn)生的溝槽在GPS接收機的操作過程中，最害怕的就是接收機受到射頻干擾(RadioFrequencyInterferenee,RFI)。在射頻部分，RFI可能會影響到LNA和自動增益控制(AutomaticGainControl,AGC)；在基頻部分，RFI會影響到載波(Carrier)和碼追蹤回路(CodeTrackingLoop)。其干擾的影響輕重程度端視RFI經(jīng)由射頻和模擬中頻/基頻階段訊號處理之后所剩下的能量，輕則影響GPS對衛(wèi)星訊號的量測，嚴

14、重時甚至會導致衛(wèi)星訊號脫鎖(Out-of-lock)。在RFI中，CWI是一個會嚴重影響到GPS的C/A碼的因素，這主要是因為C/A碼的訊號頻譜具有許多間距為1kHz的線頻譜，而這些線頻譜最容易受到CWI的影響。審慎進行設計整合GPS接收干擾有解要讓接收機較不會受到CWI的影響的唯一辦法，就是當有CWI掉入GPS頻帶時，接收機能夠偵測到這些CWI訊號并將其影響降至最小。CWI偵測的機制可以放置在GPS接收機相關運算之前或之后，在前面的稱為前相關(Pre-correlation)偵測，而在后面則稱為后相關(Post-correlation)偵測。前相關的偵測是利用天線、自動增益控制器或模擬數(shù)字轉

15、換器來偵測和描繪CWI。特別是在天線部分，其實可透過使用數(shù)組天線處理的技術來化解CWI干擾的問題，只可惜由于成本考慮，商用GPS接收機通常不會采用。因此，在商用GPS接收機整合的案例中，多半都是采用后相關的技術來偵測CWI的訊號。CWI對GPS接收機所造c/NQ成的影響主要是降低接收機的、造成衛(wèi)星誤判、增加首次定位時間(TTFF)、降低定位精準度等。后相關偵測可解決降低與衛(wèi)星蓋臺問題功率較高的CWI會影響到AGC回路的增益設定,導致衛(wèi)星訊號更低于噪聲層而降低GPS接收機的最終的值的計算。因為CWI所產(chǎn)生的值的降低只能透過增加模擬數(shù)字轉換器的位數(shù)來改善，無法透過任何基頻數(shù)字訊號處理的技術解決oG

16、PS訊號在解相關運算之前,會埋在熱噪聲層之下，因此AGC回路增益控制的設定點(SetPoint)會設在中頻或基頻的訊號功率。AGC回路基于所接收到的訊號功率來自動調(diào)整中頻或基頻增益的大小。當GPS頻段有CWI存在時會影響到AGC回路的設定點導致較小的中頻或基頻增益加在GPS訊號上面，導致GPS訊號更C/Nqc/叫遠離熱噪聲層因而降低最終的值。當CWI的功率位準高于熱噪聲層時，值的降低會變的很明顯。衛(wèi)星誤判的問題的解答則相對單純些。一般來說，GPS芯片業(yè)者會利用CWI將可視衛(wèi)星蓋臺作為量測準則，來提供CWI的遮幕(Mask)給系統(tǒng)設計商。系統(tǒng)設計商的硬件工程師只要確保主板上面的CWI功率不會超過

17、此CWI遮幕即可,越高的CWI遮幕值越能減輕主板電磁干擾(EMI)除錯的壓力。在追蹤模式(TrackingMode)時，GPS接收機的量測引擎(MeasurementEngine,ME)可以很輕易的得知此時使用者天空上可視的衛(wèi)星有哪些，因此衛(wèi)星誤判可以輕易的利用后相關偵測來檢驗碼域頻域上的峰值訊號，并判斷哪些是真實的衛(wèi)星訊號，而哪些只是CWI所造成的假訊號。在追蹤模式時的假訊號并不會造成GPS接收機性能的下降，只要CWI不會將可視衛(wèi)星的數(shù)目蓋掉太多，位置引擎(PositionEngine,PE)還是可以輕易的計算出位置。更精確的做法就是ME可以準確的偵測CWI，使得(NMEA)的序列不會輸出不

18、應該存在的衛(wèi)星的信息。量測引擎良窳決定首次定位時間首次定位時間受CWI影響的程度會和CWI的屬性(單頻或多頻)、CWI的功率(高過熱噪聲層多少dB)、CWI的頻率、PRN碼的線頻譜、GPS接收機的操作狀態(tài)和用戶的使用模式(UserScenario)密切相關。當GPS接收機是處于冷啟動(ColdStart)或遠距開機(FarStart)時，若GPS頻段存在高功率的CWI時，其所受到的影響會相當嚴重。在這兩種操作模式之下，ME無法得知天空中可視的衛(wèi)星有哪些，在解相關(De-correlation)運算之后，CWI的行為會和真實衛(wèi)星在解相關運算之后的行為很類似(在二維搜尋空間皆會存在峰值)，而導致M

19、E會將CWI誤判為真實衛(wèi)星，并進行后續(xù)追蹤(計算偽距離)和嘗試譯碼(導航訊息的譯碼)等動作，進而增加TTFF時間。一般來說在進行衛(wèi)星數(shù)據(jù)的譯碼程序時，ME很快就可以發(fā)現(xiàn)所要嘗試譯碼的訊號不是真實的衛(wèi)星訊號，而是一個干擾訊號(JammingSignal)。一旦發(fā)生這種情況，便會放棄在此都卜勒頻率(DopplerFrequency)的衛(wèi)星訊號的擷取而移至下一個可能的頻率槽(FrequencyBin)。在此種接收狀態(tài)和使用模式之下，TTFF的影響程度會和GPSME對CWI判別的能力和偵測的速度有關。最壞的情況是當高功率的CWI影響到ME對噪聲層的計算，以及高功率的CWI加上噪聲層經(jīng)過解相關運算后，超

20、過ME所設定的衛(wèi)星訊號峰值偵測的臨界值時，噪聲層上的所有隨機噪聲都會被ME視為是真實的衛(wèi)星訊號，而嘗試去追蹤和解碼，進而導致ME陷入無窮盡的錯誤擷取(FalseAcquisition)狀態(tài)。在熱啟動(WarmStart)時，ME可以利用最后一次的定位信息和存放在非揮發(fā)性內(nèi)存(NVRAM)的衛(wèi)星星歷(Almanac)和時間信息計算出此時天空可視的衛(wèi)星有哪些，以及相關衛(wèi)星大約的都卜勒頻率，ME可以利用可視衛(wèi)星和相關的都卜勒頻率的信息來輔助CWI的偵測。此外，當CWI的功率超過臨界值時，也會產(chǎn)生錯誤擷取的情況而導致大幅度的增加TTFF(和冷啟動以及遠距開機的情況類似)。另外一種常見的使用情況是假設用戶的個人導航設備(PND)放置在車上，且車子停放于地下停車場。隔