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提高智慧手機導航性能  四頻GNSS前端模組受青睞

2014-01-27
今日的智慧型手機除了提供廣泛的功能外,也支援多種網路技術與頻段,因此智慧型手機的發射器和接收器必須同時協同工作,才不會降低彼此的效能表現。
目前智慧型手機幾乎具備全球導航衛星系統(GNSS)功能,因此GNSS接收器會與全球行動通訊系統(GSM)、增強型資料速率GSM演進技術(EDGE)、通用行動通訊系統(UMTS)、分時-長程演進計畫(TD-LTE)、LTE-FDD、分時-同步分碼多重存取(TD-SCDMA)及高速封包存取(HSPA)等多種網路技術及頻段共存。

新款的智慧型手機還可以支援到十二個頻段,這除了構成GNSS接收器靈敏度的挑戰外,也造成智慧型手機需要在有限的電路板空間下使用到更多及更小尺寸的射頻零件。

根據市場研究機構--國際數據資訊(IDC)研究預估,在2013年全球智慧型手機出貨量預計將超過10億台,到2017年全球智慧型手機出貨量則預計將接近17億台,從2013年至2017年將達到約18.4%的年複合增長率(CAGR)。因此,GNSS的需求也會隨之成長,系統設計工程師在智慧型手機上設計並改良GNSS接收器也將更具挑戰。

高性能LNA/濾波器 改善GNSS靈敏度

圖1 低雜訊指數、高線性度的LNA及前置濾波器可改善GNSS靈敏度

如圖1所示,低雜訊指數的低雜訊放大器(LNA)可以加強GNSS訊號和增強GNSS訊號的訊噪比,因此也會增加GNSS的靈敏度,改善首次定位時間(Time to First Fix, TTFF)和後續定位時間(Time to Subsequent Fix, TTSF)的時間。此功能可以提供更快和連續的導航,進而大幅提高使用者的滿意度。

另外,由於搭載GNSS的智慧型手機對於抑制帶外高功率行動訊號(如787.76MHz LTE Band 13)干擾有較高的要求,較高的諧波抑制特性可以保證會落在衛星導航系統接收頻段上的諧波產物強度減弱,從而保證較好的接收品質。為了提供穩定的GNSS接收器靈敏度,有效地防止GNSS接收頻段上受到智慧型手機的多種強訊號產生的非線性諧波遮蔽衛星訊號,除了需要低雜訊指數、高線性度的LNA外,同時也須仰賴非常低插入損耗的前置濾波器和高帶外抑制後置濾波器,以有效地防止高次諧波和智慧型手機強訊號的互調產物遮蔽衛星訊號,從而保證可靠的導航。

圖2 前置濾波器和LNA靠近天線可改善系統雜訊指數以達到最佳的GNSS靈敏度

如圖2上方所示,通常這條從GNSS天線到前置濾波器的較長印刷電路板(PCB)走線會造成約0.1dB/cm的線損和增加系統雜訊指數,進一步造成GNSS訊號強度降低和構成GNSS接收機靈敏度的衰減。因此,設計工程師可以在支援多種網路技術與頻段的智慧型手機中,使用低雜訊指數、高線性度的GNSS LNA、非常低插入損耗的前置濾波器和高帶外抑制後置濾波器,同時將前置濾波器和LNA靠近GNSS天線,所需的後置濾波器靠近GNSS接收器(圖2下半)。這樣可以改善從GNSS天線到前置濾波器的較長印刷電路板走線所造成約0.8dB的線損,進而改善約0.8dB的系統雜訊指數以達到最佳的GNSS靈敏度。

GNSS前端模組尺寸縮小

圖3 在GNSS中零件尺寸與支援多頻GNSS的重要性

越來越多的智慧型手機會具備GSM、EDGE、UMTS、TD-LTE、LTE-FDD、TD-SCDMA及HSPA等多種網路技術與支援多個頻段,同時GNSS的功能也會在其中。所以,可以預見在同樣大小的印刷電路板空間下,智慧型手機將會須要使用越來越多射頻零件,而印刷電路板空間是非常寶貴的,小尺寸射頻零件也將日漸重要(圖3)。

除此之外,將後置濾波器靠近GNSS接收器,可以有效利用有限的印刷電路板空間,並解決衛星訊號天線的印刷電路板空間有限問題。非常低插入損耗的前置濾波器搭配一個高性能GNSS低雜訊放大器,能夠抑制較強的手機訊號避免遮蔽衛星訊號,但是要找到同時具有非常低的插入損耗和高帶外抑制的前置濾波器是一件非常不容易的任務。因此,設計工程師大多採用非常低插入損耗的前置濾波器和高帶外抑制後置濾波器用以抑制較強的手機訊號避免遮蔽衛星訊號。

然而,要找到尺寸小、非常低插入損耗並具有足夠帶外抑制性能的前置濾波器,依然是一件非常不容易的任務;縱使能找到,接下來也要找到合適匹配的LNA,並在前置濾波器和LNA間完成最佳化的匹配電路,才能達到前置濾波器和LNA匹配後的最佳雜訊指數。

由此可見,選擇將性能優異的前置濾波器和極高線性度的低雜訊放大器整合的小尺寸GNSS前端模組,是一種合適的解決方案。因為這類型小尺寸GNSS前端模組,除了具有比將兩個單一前置濾波器和單一LNA所需印刷電路板空間還要小的優勢外,也減少尋找合適前置濾波器、LNA和完成前置濾波器和LNA之間最佳匹配電路的時間,以實現性能提升和節省印刷電路板空間的平衡,也可以符合上市時間(Time to Market)需求。

四頻小尺寸GNSS前端模組看俏

如圖3所示,目前GNSS分別是美系全球衛星定位系統(GPS)、俄系全球導航衛星系統(GLONASS)、中國大陸北斗系統和歐洲(GALILEO)系統,總共有六十四顆定位衛星和三個可供民用的衛星定位系統(GPS/GLONASS/北斗)。

具備多頻GNSS的智慧型手機除了可提高定位精度外,定位的速度也可大大提升,亦可彌補單一衛星接收不足或訊號品質不良的缺失。

設計工程師在智慧型手機上設計可同時支援四頻的GNSS接收器時,除了要讓使用的LNA可以同時支援接收GPS、GLONASS、北斗及GALILEO的四頻訊號,其頻率涵蓋範圍要從1,550MHz至1,615MHz並且提供尺寸小、高線性度、低電流、低運作電壓、低功耗和具有開啟/關閉功能外,還要找到能夠真正支援四頻的GNSS並且尺寸小、非常低插入損耗及具有足夠帶外抑制性能的前置濾波器,這又是一件非常不容易的任務。

當然,選用整合前置濾波器和LNA的小尺寸GNSS前端模組是一種可行的解決方案,而且目前可以支援多頻段的GNSS前端模組也陸續被發表,但是在市場上真正可以支援四頻的GNSS小尺寸前端模組並不多見。

以英飛凌(Infineon)推出的BGM1143N9為例(圖4),是最新一代的四頻小尺寸GNSS前端模組,其將低插入損耗前置濾波器和英飛凌擁有的低雜訊指數矽鍺(SiGe)MMIC LNA整合在TSNP-9(1.5毫米×1.1毫米)封裝內。

與上一代GNSS前端模組相比,BGM1143N9節省約60%的印刷電路板空間,因此設計工程師可以優化在智慧型手機上印刷電路板使用的空間。

另外,透過其低插入損耗前置濾波器,BGM1143N9可以提供15.8dB增益、1.45dB雜訊係數和高線性度性能。在高線性度性能方面,其輸入三階截止點(IIP3)和輸入1dB壓縮點

(IP1dB)可以分別達到-4dBm和-5dBm。

不僅如此,BGM1143N9也具有高帶外抑制性能和高達+66dBm帶外輸入三階截止點(Out-of-band IIP3)。因此,它是目前市面上尺寸最小的GNSS前端模組,並且具備具有非常高的線性度和最低雜訊指數,可以有效地改善GNSS靈敏度和抑制較強的智慧型手機訊號干擾。其低插入損耗前置濾波器與高性能LNA支援1,550M~1,615MHz的頻率範圍,並涵蓋GNSS的GPS、GLONASS、北斗及GALILEO四頻訊號,所有頻帶可用於同一時間,因此提供最佳的系統支援。

圖4 BGM1143N9應用電路

綜觀上述特性與性能,它已具備尺寸小、低電流、低運作電壓、低功耗、低雜訊指數、高線性度、高帶外抑制性能和同時支援四頻GNSS的優點。對於正在為GNSS接收器尋找所需前端模組的設計工程師,它將會是其中一個選擇,可比使用單一的LNA來得簡單得多。

有前置濾波器和LNA在單一封裝中的GNSS前端模組提供了以下幾個好處:減少尋找合適前置濾波器所需要的時間、減少尋找合適的匹配LNA所需時間、減少設計前置濾波器和LNA間最佳匹配電路的時間、不用太複雜的印刷電路板設計、易於處理單一前置濾波器和LNA的供應商,以及減少時間和精力進行系統設計。

總歸來說,目前在智慧型手機上設計GNSS接收器將會面臨諸多挑戰,而GNSS前端模組解決方案則以迎合不同的GNSS系統,並有效地防止高次諧波和智慧型手機強訊號互調產物的干擾,來保證可靠的導航且提供更快和連續的導航,進而大幅提高使用者的滿意度,減少設計工程師所花費的時間。

(本文作者為台灣英飛凌射頻及保護元件應用部門經理)

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