引言

        GSM和藍(lán)牙作為兩種不同的無線制式，在智能手機(jī)空間非常緊湊且PCB狹小的情況下，要求在實(shí)時(shí)語音業(yè)務(wù)中同時(shí)滿足收發(fā)工作，由GSM收發(fā)子系統(tǒng)完成從智能終端到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的話音接入服務(wù)，由藍(lán)牙收發(fā)子系統(tǒng)完成從智能終端到藍(lán)牙無線耳機(jī)或者車載免提的短距離語音服務(wù)，就必然存在共存性設(shè)計(jì)問題。本文基于在某智能移動(dòng)終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的工程實(shí)踐，總結(jié)了設(shè)計(jì)多模無線共存系統(tǒng)的理論考慮和工程上的分析思路。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

        對于純粹的分立GSM和藍(lán)牙系統(tǒng)來說，因?yàn)轭l段相距較遠(yuǎn)，在同一時(shí)段內(nèi)只有一個(gè)是大功率發(fā)射，而另一個(gè)是微功率發(fā)射系統(tǒng)，其共存性的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)并不像IEEE802.11b/g和藍(lán)牙系統(tǒng)共存那么嚴(yán)峻。但是，由于在多模智能移動(dòng)終端中，緊湊的電路板和布局使傳導(dǎo)性干擾和噪聲耦合更加強(qiáng)烈。移動(dòng)終端內(nèi)置GSM天線成為潮流，而傳統(tǒng)的藍(lán)牙PCB天線或陶瓷貼片天線也是內(nèi)置的情況下，則在整個(gè)狹小的空間內(nèi)裝備了兩個(gè)同時(shí)工作的天線。移動(dòng)臺在各種惡劣環(huán)境和復(fù)雜的無線信道中都必須滿足的實(shí)時(shí)通信需求，以及藍(lán)牙耳機(jī)要求藍(lán)牙設(shè)備和GSM系統(tǒng)同時(shí)收發(fā)的應(yīng)用特性，這些因素共同造成了GSM和藍(lán)牙在多模移動(dòng)終端中的共存性設(shè)計(jì)仍要面對工程性的困難和挑戰(zhàn)。

        在設(shè)計(jì)移動(dòng)終端的實(shí)踐中，首先要考慮無線接口，兩種制式同時(shí)工作時(shí)，相互的收和發(fā)是否存在干擾。然后考慮電路設(shè)計(jì)，即這兩個(gè)子系統(tǒng)在如此緊湊的電路板和高密度的布線中，GSM系統(tǒng)的收發(fā)器架構(gòu)和頻率規(guī)劃與藍(lán)牙子系統(tǒng)的關(guān)系造成的頻率源，濾波，屏蔽方面的考慮。此外，作為無線收發(fā)設(shè)備，在緊湊的空間中，這兩個(gè)制式的天線耦合特性和輻射模型造成的共存性問題也要妥善解決。最后還要考慮兩個(gè)子系統(tǒng)的電源供電思路，以及可能存在的系統(tǒng)頻率源的共享和分配方案。

GSM和藍(lán)牙雙模系統(tǒng)

共存的考慮要素

1. 對于雙模收發(fā)頻段的相互干擾，主要考慮兩個(gè)方面，藍(lán)牙發(fā)射帶外雜散對GSM接收帶內(nèi)的影響和GSM發(fā)射帶外雜散對藍(lán)牙接收帶內(nèi)的影響。

        藍(lán)牙的射頻系統(tǒng)工作在2.4GHz的ISM頻段,對于工作在850MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz的GSM來說，這個(gè)頻帶間距似乎都是安全的。然而，在不低于-102dBm的接收靈敏度容限下，典型的GSM手機(jī)在天線輸入端只在最大為-111dBm的雜散信號存在，且同頻載干比C/I不超過-9dB時(shí)，才能保證GSM接收性能不會有損失。在實(shí)際系統(tǒng)中，如果根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定GSM和藍(lán)牙天線之間的空間損耗在10～15dB左右，就意味著只要藍(lán)牙發(fā)射器(在藍(lán)牙天線端測量到的)在GSM全頻段上的最大發(fā)射帶外雜散不超過－101～-96dBm，GSM子系統(tǒng)的接收性能就能得以保證。

        然而在藍(lán)牙BQB認(rèn)證時(shí)，在GSM帶內(nèi)的雜散指標(biāo)要求的標(biāo)竿是遠(yuǎn)高于此的，就是說，只滿足BQB藍(lán)牙測試的發(fā)射器要求，未必能達(dá)到不使共存的GSM系統(tǒng)接收性能惡化的要求。因此，在設(shè)計(jì)藍(lán)牙子系統(tǒng)時(shí)要格外當(dāng)心。首先，芯片設(shè)計(jì)廠家會采取措施防止強(qiáng)的本振信號和各階交調(diào)分量落在GSM頻段內(nèi)，同時(shí)，在板級設(shè)計(jì)的布局布線時(shí)也要注意隔離和防止泄漏。另外，有些比較優(yōu)秀的藍(lán)牙芯片設(shè)計(jì)公司，還采用了主動(dòng)引入頻率源時(shí)鐘抖動(dòng)的方式，通過頻譜擴(kuò)展，相對于普通方波頻率源輸入，將GSM帶內(nèi)的雜散功率譜密度降低了至少10dB。

        再來看GSM發(fā)射器對藍(lán)牙接收器的影響。雖然接收靈敏度的要求是-70dBm,但業(yè)界的藍(lán)牙芯片都可以達(dá)到-80dBm，甚至更好的指標(biāo)。一般鑒頻器的C/I單音需求是優(yōu)于-18dB的。因此，從藍(lán)牙天線端來看，其要求能容許的最大帶內(nèi)單音干擾是-98dBm左右。同樣假定這個(gè)雙模終端中GSM天線到藍(lán)牙天線的空間損耗是10～15dB，這樣，GSM天線上測量到的處于藍(lán)牙帶內(nèi)的發(fā)射雜散就不能超過-88～-83dBm。在GSM的FTA認(rèn)證中，其EMI指標(biāo)在ISM帶內(nèi)的發(fā)射雜散容限標(biāo)竿同樣比這個(gè)寬松。

        因此，如果只滿足GSM發(fā)射器要求，可能會造成共存系統(tǒng)中藍(lán)牙接收器的性能惡化。故必須謹(jǐn)慎地分析GSM子系統(tǒng)的本振和頻綜的架構(gòu)，并采取其它方式，盡可能消除本振泄漏和一些高階分量對藍(lán)牙接收帶內(nèi)的影響，特別是GSM子系統(tǒng)工作在PCS頻段的時(shí)候。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的情況，考慮過增加Tx聲表濾波器來提高帶外的抑制度，加強(qiáng)子系統(tǒng)的隔離，但同時(shí)又需要考慮由此引發(fā)的其它發(fā)射功率和效率問題。

2. 對于板級設(shè)計(jì)的頻率隔離，濾波和屏蔽，本文主要考慮三個(gè)方面，包括藍(lán)牙本振相噪對GSM相應(yīng)頻點(diǎn)的影響，GSM和藍(lán)牙子系統(tǒng)的屏蔽以及GSM系統(tǒng)的射頻架構(gòu)和頻率規(guī)劃與藍(lán)牙子系統(tǒng)的關(guān)系。

        前面已經(jīng)提到過兩個(gè)子系統(tǒng)在對方頻帶中的雜散所造成的危害，實(shí)際上有些時(shí)候板上的耦合途徑比天線的耦合造成的影響更大。所以本系統(tǒng)開發(fā)時(shí)首先分析了板級設(shè)計(jì)中的耦合途徑。第一是GSM功率放大器到藍(lán)牙接收器前端的耦合，或者是GSM/藍(lán)牙發(fā)射信號有泄漏，以某種方式通過GSM和藍(lán)牙系統(tǒng)之間的PCM接口或者UART互連線直接耦合到對方系統(tǒng)中。如果不謹(jǐn)慎處理PCB走線時(shí)的EMI設(shè)計(jì)，這些接口數(shù)據(jù)線的天線效應(yīng)可能會是板上輻射耦合的重要來源。第二，GSM子系統(tǒng)的本振信號有可能通過某些高速信號線，如存儲器總線等泄漏出來，將開關(guān)噪聲或雜散引入到藍(lán)牙子系統(tǒng)。第三，GSM和藍(lán)牙子系統(tǒng)之間的共電源和共地也要合理的考慮，防止電源和地造成的帶內(nèi)雜散的相互耦合和干擾。

        對于這些板級耦合干擾問題，本文采取以下思路來處理。首先盡量將兩個(gè)子系統(tǒng)的距離拉遠(yuǎn)些，這樣也方便留出足夠的空間來制作屏蔽罩，以實(shí)現(xiàn)空間上的屏蔽和隔離；另一個(gè)考慮是用屏蔽的方式將強(qiáng)發(fā)射信號和弱信號分開。這兩個(gè)子系統(tǒng)的射頻部分都適合單獨(dú)做一個(gè)地，再分別連到系統(tǒng)的主地上，以減小共地造成的耦合。對于系統(tǒng)的主地，要盡量降低其阻抗，在選取一個(gè)盡量大的、完整的地平面的同時(shí)，還要在射頻信號途徑旁邊的地上，多采用過孔來降低回流途徑的阻抗，并減小完整信號從出發(fā)到終止點(diǎn)的路徑所包圍的面積，降低天線效應(yīng)。

        對于GSM子系統(tǒng)，因?yàn)槠浒l(fā)射功率遠(yuǎn)大于藍(lán)牙子系統(tǒng)，對它的地，以及天線的參考地，都需要特別注意，著重防止它造成的地彈噪聲對藍(lán)牙子系統(tǒng)的影響。再者，從電路設(shè)計(jì)方面考慮，一般藍(lán)牙和GSM的前端LNA輸入等都是差分的，要注意前端差分線的布線和匹配電路布局的對稱性，從而提高共模抑制。如果實(shí)驗(yàn)室有足夠的條件，建議分析GSM頻率分配方案和頻綜的架構(gòu)，計(jì)算出本振和各個(gè)雜散頻率和交調(diào)分量是否正好落在某個(gè)藍(lán)牙的頻點(diǎn)上，然后采用cable傳導(dǎo)的方式，直接驗(yàn)證并測試這些可疑頻點(diǎn)上GSM以最大功率工作時(shí)藍(lán)牙的性能。如果有特別差的頻點(diǎn)，還需要有針對性地分析布局布線或電路設(shè)計(jì)時(shí)引入的板上耦合途徑。

3. 雙天線系統(tǒng)輻射和耦合

        在智能手機(jī)這么狹小的空間中，尤其是GSM子系統(tǒng)普遍采用內(nèi)置天線的情況下，兩個(gè)天線的距離進(jìn)一步縮短，因此耦合情況更加復(fù)雜。在這個(gè)方面，本文主要考慮GSM/藍(lán)牙天線耦合特性造成的鏈路預(yù)算問題、藍(lán)牙和GSM兩個(gè)系統(tǒng)的收發(fā)頻帶濾波，以及GSM/藍(lán)牙天線的輻射模型。

        前文已經(jīng)描述了GSM的最大輸出功率是＋33dBm，這會導(dǎo)致藍(lán)牙接收器的阻塞。假定兩個(gè)天線耦合因子是15dB，藍(lán)牙接收器設(shè)置在最大增益模式(藍(lán)牙弱信號情況)。同時(shí)，因?yàn)镚SM頻段離ISM頻段比較遠(yuǎn)，所以主要考慮離ISM最近的DCS(1.8GHz)和PCS(1.9GHz)頻段。這兩個(gè)頻段的最大輸出功率都是30dBm。藍(lán)牙接收的ISM頻帶濾波器中心帶寬是2.442GHz，帶寬為100MHz，那么PCS的發(fā)射載波處于藍(lán)牙頻帶濾波器的約3.4倍頻程處，DCS的發(fā)射載波處于藍(lán)牙頻帶濾波器約4.4倍頻程處。考慮最近的PCS頻段，以德州儀器的BRF6100藍(lán)牙基帶＋收發(fā)器二合一芯片為例，其接收器1dB壓縮點(diǎn)是-26dBm，算上3dB的容限，在PCS頻段的輸入功率不能超過-29dBm。假設(shè)在最差情況下，兩個(gè)子系統(tǒng)天線的耦合系數(shù)只有-10dB,那么GSM子系統(tǒng)在PCS頻段以最大功率發(fā)射時(shí)，藍(lán)牙的頻帶濾波器在PCS頻段上就需要有49dB的衰減，才能滿足藍(lán)牙接收器的帶外阻塞性能指標(biāo)要求。如果在兩天線相互干擾較弱的情況下，雙模的天線耦合因子能降低到-15dB～-20dB，那么藍(lán)牙的接收前端聲表濾波器就只需要44dB～39dB的衰減，便可以滿足藍(lán)牙接收鏈路預(yù)算的要求。

        同樣，對于GSM子系統(tǒng)，也需要對藍(lán)牙輸出端對GSM造成的帶外干擾做抑制。如果考慮最接近ISM的PCS頻段，按照GSM帶內(nèi)底噪-71dBm/100KHz的要求，PCS輸出噪聲功率密度為-121dBm/Hz。按PCS頻段Tx濾波器的中心在Fo＝1.96GHz、帶寬為75MHz計(jì)算，藍(lán)牙芯片的NF是17dB,兩個(gè)子系統(tǒng)天線耦合因子按-20dB計(jì)算，那么在PCS輸出濾波器的3.6倍頻程處的ISM頻帶上，藍(lán)牙接收器的等效輸入噪聲為-157dBm/Hz。如果藍(lán)牙要求的耦合噪聲容限是-10dB的話，對于GSM子系統(tǒng)，為了滿足PCS最大輸出功率的要求，輸出頻段的ISM帶外抑制就應(yīng)該達(dá)到26dB。

        除了鏈路預(yù)算以外，在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，還發(fā)現(xiàn)可以對GSM發(fā)射器的VCO的噪聲、I/Q調(diào)制器的噪聲以及內(nèi)部PLL造成的頻率雜散多做些考慮。當(dāng)然，這些難以直接計(jì)算，所以還是靠前面提及的板級設(shè)計(jì)隔離和屏蔽、合理的PCB走線及EMC設(shè)計(jì)來避免。同時(shí)要對藍(lán)牙易受干擾的接收頻點(diǎn)做實(shí)際測量。一般來說，輻射干擾的最差情況發(fā)生在連續(xù)GPRS操作時(shí)，此時(shí)有可能同時(shí)阻塞藍(lán)牙的2個(gè)信道，導(dǎo)致誤包率上升，但是，考慮到連續(xù)GPRS和藍(lán)牙同時(shí)操作并非目前智能終端應(yīng)用的主流(IP phone over GPRS還不太成熟)，對實(shí)際性能影響不大，本文主要考慮單發(fā)單收的GSM話音業(yè)務(wù)，這樣處理較為簡便。對于GSM的Tx諧波，主要注意2階和3階分量，它們一般落在藍(lán)牙的帶內(nèi)，要注意按照上文的分析，給予足夠的衰減。

        在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)該使藍(lán)牙和GSM子系統(tǒng)的頻帶濾波器各自在對方的帶內(nèi)分別達(dá)到35dB和26dB以上的衰減，取得了較好的效果。

        然而，一味引入更大衰減的頻帶濾波器也不是最好的選擇，這樣會增大帶內(nèi)有用信號的插損，降低了實(shí)際的發(fā)射效率，增加了功耗，并可能帶來輸出功率不符合型號認(rèn)證的問題。所以從前面的分析可知，設(shè)法降低兩個(gè)子系統(tǒng)天線的耦合度，是一個(gè)更好的辦法。

        本系統(tǒng)將兩個(gè)子系統(tǒng)和天線放置得盡可能遠(yuǎn)，以增加物理空間損耗。同時(shí)，在天線匹配電路的設(shè)計(jì)上，在藍(lán)牙端盡量采用高通濾波網(wǎng)絡(luò)來匹配，而GSM子系統(tǒng)的天線匹配策略采用低通網(wǎng)絡(luò)的方式，這樣達(dá)到了附加的抑制效果。有設(shè)備條件或者和專業(yè)天線廠家合作的情況下，還可以調(diào)整天線的極化和方向圖，比如讓GSM的天線處于XY平面，而藍(lán)牙天線極化方向處于XZ平面，在測試方向圖時(shí)注意觀察和調(diào)整，同時(shí)在設(shè)計(jì)天線擺放位置和電流流向時(shí)加以恰當(dāng)考慮，也能對降低耦合因子有一定效果。選用盡量窄帶的天線也能減小兩個(gè)子系統(tǒng)天線間的耦合因子，但這會提高天線設(shè)計(jì)的難度。如果有條件可進(jìn)行仿真和計(jì)算，但是在實(shí)際開發(fā)過程中，這些都以工程測試的結(jié)果為準(zhǔn)。

4. 系統(tǒng)級共存設(shè)計(jì)考慮

        對于這兩個(gè)子系統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)，在開發(fā)過程中首要考慮的是如何降低這兩個(gè)收發(fā)器之間開關(guān)噪聲通過電源系統(tǒng)造成的耦合，然后是大功率的GSM發(fā)射時(shí)造成的電源瞬間壓降對藍(lán)牙系統(tǒng)的影響，最后就是地彈噪聲的處理。在各個(gè)電源處合理采用退耦電容是常識，而對于GSM子系統(tǒng)，因?yàn)閷﹄娫此矐B(tài)響應(yīng)要求高，需要大幅加寬電源線，并提供大的電容做穩(wěn)壓。對于藍(lán)牙子系統(tǒng)，為了降低電源上的瞬態(tài)壓降，也需要盡量降低電源線阻抗，并提供大電容穩(wěn)壓。在便攜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，走線密度往往過高，造成單獨(dú)電源面的制作比較困難，所以要注重電源線的布線，讓它和主地之間的回流途徑盡可能靠近，如果電源線能走在主地的鄰接層，其EMI特性會更加理想。對于藍(lán)牙芯片供電，除了要采用高PSRR的LDO，還要注意這個(gè)穩(wěn)壓器的布線優(yōu)化，并增大它的輸出電容，本文的做法是實(shí)際的電源優(yōu)化要在大功率工作的同時(shí)進(jìn)行，在工程實(shí)踐中調(diào)整。為了減小地彈噪聲，還要注意主地層的完整，以及前文提到的單獨(dú)做兩個(gè)射頻地或者其它分割策略。

        對于系統(tǒng)頻率源的共享和分配，考慮到小體積的智能移動(dòng)終端電路板面積極為緊張，因此最好能共享一個(gè)頻率源。此時(shí)要防止共源造成的噪聲和雜散傳導(dǎo)耦合，因此，必要的濾波和匹配是不可或缺的。同時(shí)，要注意兩個(gè)子系統(tǒng)對頻率源的穩(wěn)定性要求，通常，GSM子系統(tǒng)的頻率源在同步信道解調(diào)成功后是受控的，而藍(lán)牙子系統(tǒng)只是利用頻率源產(chǎn)生本振后，和同步信道簡單匹配來判斷設(shè)備是否同步，并沒有特別的AFC機(jī)制來控制頻率源，所以，當(dāng)GSM系統(tǒng)為了省電需要關(guān)閉GSM輸入的時(shí)鐘源而藍(lán)牙仍需要穩(wěn)定工作時(shí)，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)簡單合理的門控時(shí)鐘來提供請求與仲裁機(jī)制，以保證兩者都可以按需使用時(shí)鐘，而兩者都不用時(shí)，系統(tǒng)能完成時(shí)鐘的關(guān)斷，同時(shí)，GSM不工作時(shí)還需要保持時(shí)鐘源的穩(wěn)定性，以滿足藍(lán)牙的初始時(shí)鐘穩(wěn)定性要求。

結(jié)語

        本文的智能終端設(shè)計(jì)，在常規(guī)的手機(jī)空間中滿足了GSM和藍(lán)牙型號認(rèn)證發(fā)射和接收的各項(xiàng)指標(biāo)要求，在GSM最大功率發(fā)射時(shí)，也能在5～7米的距離內(nèi)用藍(lán)牙耳機(jī)清晰地通話，通過以上思路和措施，合理完成了這個(gè)雙模系統(tǒng)的共存性設(shè)計(jì)。本文總結(jié)了開發(fā)過程中的思考方法和工程經(jīng)驗(yàn)，希望起到拋磚引玉的作用，給無線便攜系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供一些參考。