手機(jī)GPS接收靈敏度

1、手機(jī)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(jī)和手機(jī)芯片整合模式進(jìn)行完整介紹，同時亦剖析模擬和數(shù)字基頻接口的設(shè)計考慮；本期專欄將繼續(xù)探討GPS與手機(jī)芯片整合時，手機(jī)電路對GPS接收機(jī)的干擾問題。手機(jī)系統(tǒng)對GPS干擾問題重重GPS接收機(jī)和手機(jī)整合最容易面臨的問題便是來自手機(jī)和主板的干擾會導(dǎo)致GPS接收機(jī)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(jī)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(jī)干擾源樹形圖手機(jī)射頻為GPS外頻干擾元兇外頻干擾主要是成因?yàn)槭謾C(jī)發(fā)射機(jī)所發(fā)射的高功率載波。一般手機(jī)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(dá)33dBm,在DCS頻段最高發(fā)射功率亦可達(dá)30dBm；就平均發(fā)射功率而言，手機(jī)的發(fā)射功率通常在20dBm以上。相較之下，衛(wèi)星訊號抵達(dá)GPS接收機(jī)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(jī)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(zhǔn)相差甚大(可達(dá)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(yīng)。此一

3、非線性效應(yīng)會在GPS接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生訊號飽合(Saturation)、壓縮(Compression)和互調(diào)變(Inter-modulation),進(jìn)而導(dǎo)致GPS接收機(jī)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(dāng)手機(jī)操作在DCS頻段時會對GPS接收機(jī)的值造成最大的影響。理論上，當(dāng)手機(jī)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(jī)的值造成最大的負(fù)面沖擊。因此，一般要評估手機(jī)對GPS接收機(jī)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(jìn)無線服務(wù)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(wù)(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(wù)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(jī)訊號進(jìn)入GPSLNA的大小會受到下列幾項(xiàng)因素的影響：發(fā)射功率、分時多任務(wù)(TDMA)系統(tǒng)的工作周期、GPS天線和手機(jī)天線的隔離，以及GPS射頻前級的表面聲波(SAW)濾波器對手機(jī)發(fā)射載波頻率的抑制。筆者認(rèn)為TDMA系統(tǒng)對GPS性能的影響會比WCDMA系統(tǒng)要來得多，因?yàn)楣β蚀笮〔攀窃斐筛蓴_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(fù)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(shí)為外頻干擾的延伸，亦即當(dāng)手機(jī)頻段外的輻射干擾落在GPS頻段內(nèi)時，會對GPS接收機(jī)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(zhǔn)提高，進(jìn)而導(dǎo)致值的降低。除了這類噪聲干擾之

7、外，GPS接收機(jī)值降低還有以下幾項(xiàng)成因，包含TDMA系統(tǒng)的工作周期、手機(jī)收發(fā)機(jī)內(nèi)的雙功器(Diplexer)對GPS頻段的抑制效果、手機(jī)發(fā)射濾波器在GPS頻段的抑制效果、GPS天線和手機(jī)天線的隔離等。其中在手機(jī)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(jī)的發(fā)射濾波器在設(shè)計時通常不會將外頻抑制性能納入考慮，使得手機(jī)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(jī)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(jī)整合設(shè)

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(fù)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(yán)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(jī)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?yàn)榫哂姓{(diào)變和頻譜展頻的特色，因此對GPS接收機(jī)的影響遠(yuǎn)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(zhì)，如圖3所示。圖3在C/A碼頻譜的帶寬內(nèi)將導(dǎo)航資料展頻不同的偽隨機(jī)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(yīng)，而且這是可以被預(yù)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(dá)接收機(jī)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(jìn)行相關(guān)運(yùn)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(guān)運(yùn)算之后CWI被分布在每一個線頻譜上接收機(jī)的解擴(kuò)展（Des

11、pread）就是將接收機(jī)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(fù)制成線頻譜。只有當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)航數(shù)據(jù)一起被濾出C/叫因?yàn)槎疾防招?yīng)的緣故，不同衛(wèi)星在不同的時段會受到CWI的影響而導(dǎo)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(guān)。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(jī)所產(chǎn)生相同C/A碼的互相關(guān)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(shè)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(dāng)CWI和C/A碼的線頻譜一致時會有溝槽產(chǎn)生(當(dāng)沒有CWI時值應(yīng)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(jī)的操作過程中，最害怕的就是接收機(jī)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(yán)

14、重時甚至?xí)?dǎo)致衛(wèi)星訊號脫鎖(Out-of-lock)。在RFI中，CWI是一個會嚴(yán)重影響到GPS的C/A碼的因素，這主要是因?yàn)镃/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(jìn)行設(shè)計整合GPS接收干擾有解要讓接收機(jī)較不會受到CWI的影響的唯一辦法，就是當(dāng)有CWI掉入GPS頻帶時，接收機(jī)能夠偵測到這些CWI訊號并將其影響降至最小。CWI偵測的機(jī)制可以放置在GPS接收機(jī)相關(guān)運(yùn)算之前或之后，在前面的稱為前相關(guān)(Pre-correlation)偵測，而在后面則稱為后相關(guān)(Post-correlation)偵測。前相關(guān)的偵測是利用天線、自動增益控制器或模擬數(shù)字轉(zhuǎn)

15、換器來偵測和描繪CWI。特別是在天線部分，其實(shí)可透過使用數(shù)組天線處理的技術(shù)來化解CWI干擾的問題，只可惜由于成本考慮，商用GPS接收機(jī)通常不會采用。因此，在商用GPS接收機(jī)整合的案例中，多半都是采用后相關(guān)的技術(shù)來偵測CWI的訊號。CWI對GPS接收機(jī)所造c/NQ成的影響主要是降低接收機(jī)的、造成衛(wèi)星誤判、增加首次定位時間(TTFF)、降低定位精準(zhǔn)度等。后相關(guān)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(shè)定,導(dǎo)致衛(wèi)星訊號更低于噪聲層而降低GPS接收機(jī)的最終的值的計算。因?yàn)镃WI所產(chǎn)生的值的降低只能透過增加模擬數(shù)字轉(zhuǎn)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(shù)解決oG

16、PS訊號在解相關(guān)運(yùn)算之前,會埋在熱噪聲層之下，因此AGC回路增益控制的設(shè)定點(diǎn)(SetPoint)會設(shè)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(dāng)GPS頻段有CWI存在時會影響到AGC回路的設(shè)定點(diǎn)導(dǎo)致較小的中頻或基頻增益加在GPS訊號上面，導(dǎo)致GPS訊號更C/Nqc/叫遠(yuǎn)離熱噪聲層因而降低最終的值。當(dāng)CWI的功率位準(zhǔn)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(zhǔn)則，來提供CWI的遮幕(Mask)給系統(tǒng)設(shè)計商。系統(tǒng)設(shè)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(jī)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(guān)偵測來檢驗(yàn)碼域頻域上的峰值訊號，并判斷哪些是真實(shí)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(jī)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(zhǔn)確的偵測CWI，使得(NMEA)的序列不會輸出不

18、應(yīng)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(jī)的操作狀態(tài)和用戶的使用模式(UserScenario)密切相關(guān)。當(dāng)GPS接收機(jī)是處于冷啟動(ColdStart)或遠(yuǎn)距開機(jī)(FarStart)時，若GPS頻段存在高功率的CWI時，其所受到的影響會相當(dāng)嚴(yán)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(guān)(De-correlation)運(yùn)算之后，CWI的行為會和真實(shí)衛(wèi)星在解相關(guān)運(yùn)算之后的行為很類似(在二維搜尋空間皆會存在峰值)，而導(dǎo)致M

19、E會將CWI誤判為真實(shí)衛(wèi)星，并進(jìn)行后續(xù)追蹤(計算偽距離)和嘗試譯碼(導(dǎo)航訊息的譯碼)等動作，進(jìn)而增加TTFF時間。一般來說在進(jìn)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(shí)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(guān)。最壞的情況是當(dāng)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(guān)運(yùn)算后，超

20、過ME所設(shè)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(jī)噪聲都會被ME視為是真實(shí)的衛(wèi)星訊號，而嘗試去追蹤和解碼，進(jìn)而導(dǎo)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(guān)衛(wèi)星大約的都卜勒頻率，ME可以利用可視衛(wèi)星和相關(guān)的都卜勒頻率的信息來輔助CWI的偵測。此外，當(dāng)CWI的功率超過臨界值時，也會產(chǎn)生錯誤擷取的情況而導(dǎo)致大幅度的增加TTFF(和冷啟動以及遠(yuǎn)距開機(jī)的情況類似)。另外一種常見的使用情況是假設(shè)用戶的個人導(dǎo)航設(shè)備(PND)放置在車上，且車子停放于地下停車場。隔