多模智能移动终端中GSM和蓝牙的共存性设计

引言
GSM和蓝牙作为两种不同的无线制式,在智能手机空间非常紧凑且PCB狭小的情况下,要求在实时语音业务中同时满足收发工作,由GSM 收发子系统完成从智能终端到移动网络的话音接入服务,由蓝牙收发子系统完成从智能终端到蓝牙无线耳机或者车载免提的短距离语音服务,就必然存在共存性设计问题。本文基于在某智能移动终端产品设计中的工程实践,总结了设计多模无线共存系统的理论考虑和工程上的分析思路。

系统设计思路
对于纯粹的分立GSM和蓝牙系统来说,因为频段相距较远,在同一时段内只有一个是大功率发射,而另一个是微功率发射系统,其共存性的设计挑战并不像 IEEE802.11b/g和蓝牙系统共存那么严峻。但是,由于在多模智能移动终端中,紧凑的电路板和布局使传导性干扰和噪声耦合更加强烈。移动终端内置 GSM天线成为潮流,而传统的蓝牙PCB天线或陶瓷贴片天线也是内置的情况下,则在整个狭小的空间内装备了两个同时工作的天线。移动台在各种恶劣环境和复杂的无线信道中都必须满足的实时通信需求,以及蓝牙耳机要求蓝牙设备和GSM系统同时收发的应用特性,这些因素共同造成了GSM和蓝牙在多模移动终端中的共存性设计仍要面对工程性的困难和挑战。
在设计移动终端的实践中,首先要考虑无线接口,两种制式同时工作时,相互的收和发是否存在干扰。然后考虑电路设计,即这两个子系统在如此紧凑的电路板和高密度的布线中,GSM系统的收发器架构和频率规划与蓝牙子系统的关系造成的频率源,滤波,屏蔽方面的考虑。此外,作为无线收发设备,在紧凑的空间中,这两个制式的天线耦合特性和辐射模型造成的共存性问题也要妥善解决。最后还要考虑两个子系统的电源供电思路,以及可能存在的系统频率源的共享和分配方案。

GSM和蓝牙双模系统
共存的考虑要素
1. 对于双模收发频段的相互干扰,主要考虑两个方面,蓝牙发射带外杂散对GSM接收带内的影响和GSM发射带外杂散对蓝牙接收带内的影响。
蓝牙的射频系统工作在2.4GHz的ISM频段,对于工作在850MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz的GSM来说,这个频带间距似乎都是安全的。然而,在不低于-102dBm的接收灵敏度容限下,典型的GSM手机在天线输入端只在最大为-111dBm的杂散信号存在,且同频载干比C/I 不超过-9dB时,才能保证GSM接收性能不会有损失。在实际系统中,如果根据经验假定GSM和蓝牙天线之间的空间损耗在10～15dB左右,就意味着只要蓝牙发射器(在蓝牙天线端测量到的)在GSM全频段上的最大发射带外杂散不超过－101～-96dBm,GSM子系统的接收性能就能得以保证。
然而在蓝牙BQB认证时,在GSM带内的杂散指标要求的标竿是远高于此的,就是说,只满足BQB蓝牙测试的发射器要求,未必能达到不使共存的GSM系统接收性能恶化的要求。因此,在设计蓝牙子系统时要格外当心。首先,芯片设计厂家会采取措施防止强的本振信号和各阶交调分量落在GSM频段内,同时,在板级设计的布局布线时也要注意隔离和防止泄漏。另外,有些比较优秀的蓝牙芯片设计公司,还采用了主动引入频率源时钟抖动的方式,通过频谱扩展,相对于普通方波频率源输入,将GSM带内的杂散功率谱密度降低了至少10dB。
再来看GSM发射器对蓝牙接收器的影响。虽然接收灵敏度的要求是-70dBm,但业界的蓝牙芯片都可以达到-80dBm,甚至更好的指标。一般鉴频器的C/I单音需求是优于-18dB的。因此,从蓝牙天线端来看,其要求能容许的最大带内单音干扰是-98dBm左右。同样假定这个双模终端中GSM天线到蓝牙天线的空间损耗是10～15dB,这样,GSM天线上测量到的处于蓝牙带内的发射杂散就不能超过-88～-83dBm。在GSM的FTA认证中,其EMI指标在ISM带内的发射杂散容限标竿同样比这个宽松。
因此,如果只满足GSM 发射器要求,可能会造成共存系统中蓝牙接收器的性能恶化。故必须谨慎地分析GSM子系统的本振和频综的架构,并采取其它方式,尽可能消除本振泄漏和一些高阶分量对蓝牙接收带内的影响,特别是GSM子系统工作在PCS频段的时候。根据实际设计的情况,考虑过增加Tx声表滤波器来提高带外的抑制度,加强子系统的隔离,但同时又需要考虑由此引发的其它发射功率和效率问题。
2. 对于板级设计的频率隔离,滤波和屏蔽,本文主要考虑三个方面,包括蓝牙本振相噪对GSM相应频点的影响,GSM和蓝牙子系统的屏蔽以及GSM系统的射频架构和频率规划与蓝牙子系统的关系。
前面已经提到过两个子系统在对方频带中的杂散所造成的危害,实际上有些时候板上的耦合途径比天线的耦合造成的影响更大。所以本系统开发时首先分析了板级设计中的耦合途径。第一是GSM功率放大器到蓝牙接收器前端的耦合,或者是GSM/蓝牙发射信号有泄漏,以某种方式通过GSM和蓝牙系统之间的PCM接口或者 UART互连线直接耦合到对方系统中。如果不谨慎处理PCB走线时的EMI设计,这些接口数据线的天线效应可能会是板上辐射耦合的重要来源。第二,GSM 子系统的本振信号有可能通过某些高速信号线,如存储器总线等泄漏出来,将开关噪声或杂散引入到蓝牙子系统。第三,GSM和蓝牙子系统之间的共电源和共地也要合理的考虑,防止电源和地造成的带内杂散的相互耦合和干扰。
对于这些板级耦合干扰问题,本文采取以下思路来处理。首先尽量将两个子系统的距离拉远些,这样也方便留出足够的空间来制作屏蔽罩,以实现空间上的屏蔽和隔离;另一个考虑是用屏蔽的方式将强发射信号和弱信号分开。这两个子系统的射频部分都适合单独做一个地,再分别连到系统的主地上,以减小共地造成的耦合。对于系统的主地,要尽量降低其阻抗,在选取一个尽量大的、完整的地平面的同时,还要在射频信号途径旁边的地上,多采用过孔来降低回流途径的阻抗,并减小完整信号从出发到终止点的路径所包围的面积,降低天线效应。