手機整合GPS並非易事

全球衛星定位系統（Global Positioning System；GPS）功能是現今新一代手機最受歡迎的功能之一。利用GPS功能及相關韌體，就能判斷使用者當下所處位置，並得知從目前位置前往新位置的前進方向。

把GPS功能整合至手機並非易事，因為手機訊號和GPS訊號的頻率相近，同時手機訊號強度相對較高（GSM手機為30～33dBm）（註一），而GPS訊號相對較弱（僅有-150dBm）（註二）。為整合GPS功能並維持小巧尺寸設計，設計者對於整合電路、縮小元件尺寸及機械材料工程等的需求越來越高的同時，又必須努力維持手機及其擴增功能的性能。

由於系統會產生相對較高的射頻輸出訊號，而元件的設計目標是接收相對較低的射頻訊號，因此整合元件至小體積的系統會面臨嚴苛的挑戰。設計人員把GPS接收器整合至手機時，就會面臨相關難題。

頻率干擾

降低GPS接收器輸入端雜訊頻寬

手機用戶可選擇多重手機門號服務，手機業者採用各種不同的GSM、EDGE和UMTS網路來提供服務。表一列出目前手機網路提供服務的頻率：傳輸頻率從380MHz～2570MHz，接收頻率從390MHz～2690MHz，而GPS訊號則為1575.42MHz。如表一所示，手機使用的頻譜之間存在著間隙：傳輸頻帶的1465MHz與1710MHz，以及接收頻帶的1513MHz與105MHz之間，GPS訊號就落在這個間隙。但這個頻段存在許多雜訊，GPS接收器輸入端上的雜訊頻寬必須降低，才能避免接收器的靈敏度衰減。

接收器加上SAW濾波器

為了降低雜訊頻寬，GPS接收器的輸入端加上了濾波器。大多數能夠整合至電子裝置的GPS模組，都含有濾波器，例如表面聲波（SAW）濾波器，並包含低雜訊放大器。由於手機與GPS天線靠得很近，比起獨立的GPS裝置，手機內GPS輸入端的雜訊程度會高出許多，因此必須加入SAW濾波器，能減少雜訊對接收器靈敏度的影響。雖然濾波器的插入耗損會增加GPS接收器的雜訊值，但若妥善地建置，其能達到所需整體效果。

濾波器因為體積小、效能佳且容易取得，通常是最理想的選擇。如圖一所示，典型濾波器的尺寸為1.2×1.4×46 mm（註三）。

《圖一　置於印刷電路板的SAW濾波器，旁邊有多個0402電阻器 》

多重降低雜訊的濾波器

針對GPS訊號設計的SAW濾波器，插入耗損能降低至1.2dB，因而能盡可能減少雜訊值與接收器靈敏度的衰減。未來具有發展潛力的其他濾波器，還包含薄膜體聲波諧振器（FBAR）以及體聲波（BAW）濾波器，目前已有針對GSM網路的FBAR五段多工器。五段多工器有支援PCS接收頻帶獨立通訊埠、PCS傳送頻帶埠、手機接收頻帶埠、手機傳送頻帶埠、GPS功能，與一個通用天線（註四）埠。若能審慎配置電路板，這種元件能運用於高度整合的GSM手機與GPS模組的迷你型產品上。

配置的考量因素

規劃遮蔽元件結構

若要妥善整合GPS與手機的系統設計，規劃配置是其成功關鍵。GPS接收器非常敏感，且需要對強度僅有-150dBm（註二）的超低功率訊號進行解碼，其敏感度讓接收器容易受到整合系統所產生的雜訊影響。這類雜訊應該盡可能降低至不會干擾GPS的範圍。以多個分區區隔與遮蔽元件的方式，能協助消除部分雜訊，成功關鍵在於遮蔽元件必須緊密接地。電磁的模擬建構應利用市面上通用的2.5D與3D模擬器，以檢驗接地環及連結的遮蔽元件，是否在工作頻率確實接地。細心的模擬接地環、選擇合適的導孔尺寸與導孔位置接地層，以及連結至主電源的內連線，能建構出強固有效的遮蔽結構。

選擇配置接地線路

選擇如何配置接地線路也是一項重要的考量因素。通常，頂層接地元件會與一個或多個內部接地層搭配使用。若隔離連結至機板表面的訊號時，頂層接地元件能發揮不錯的效果。用來遮蔽接地環的方法，也可用來確保頂層接地元件發揮理想的功效。圖二即顯示印刷電路板PCB堆疊與多個內部接地元件。

PCB接地元件

一般而言，電路板的接地元件是相當好的電流回流通道。但若期待該回流通道在整個區域內沒有電位差，可能過於樂觀。即使在小型PCB上，也可能多次觀察到電位差。因此，裝有射頻收發器與數位處理器的印刷電路板，通常會為每個元件設置獨立的接地裝置。若PCB上只有一種電路，一個接地面就可能足夠。

《圖二　原生印刷電路板堆疊顯示獨立的數位與射頻接地元件 》

多重內部接地架構

多重內部接地裝置通常用於兩種模式，一種是在PCB堆疊中，使用兩個以上的電路層，並連結一個共用的接地裝置。另外一種則是在PCB堆疊中，將每個電路層配置一個接地面，彼此相互隔離，且連結至主電源的接地終端裝置。若使用多層元件作為共用接地面，則接地面與雜訊通道間，就不會產生任何電位差。

區隔設計隔離特定雜訊

區隔設計可以是PCB堆疊中的多個獨立電路層，或是區隔成一個數位與一個射頻部份的接地層。在這裡，設計目標不是嘗試建構一個完美的共用接地面，而是隔離特定種類元件產生的雜訊，讓雜訊不會干擾其他種類的元件。然後接地面再連結至主電源的接地端，主電源接地端是各接地面間唯一相互連結的點。這種技術對於隔離電源供應雜訊、讓雜訊遠離GPS的電源相當有效。

手機發射訊號電源壓降衍生雜訊

例如GSM手機在發射時容易產生電源雜訊；有些GSM手機在發射訊號時，在577?S的時間內，就會耗用2.2安培的電力。鋰電池在提供系統電源方面表現良好，但需要一個相當大的電容器作為區域電流井，然而由於手機的體積小，因此很難找到體積夠小但容量夠大的電容器。因此手機發射訊號時，電源會出現零點幾伏特的壓降。若手機接地面與主電源供應接地終端元件之間存在電阻，手機的接地層就會成為雜訊來源，所以需要讓各層接地層各自獨立，有效隔離並降低雜訊干擾。

專屬電源層協助降低雜訊

當TDD手機發射訊號時，電源的壓降產生的大量雜訊，這就會對GPS效能產生負面影響。運用一個專屬的GPS電源層，無論是機板堆疊中的一個專屬層，或是連結專屬電源調節器的電路層中的隔離區域，都能協助排除GPS電源軌的雜訊。

旁路設計

若連結至GPS的電源供應線路沒有妥善旁路，也可能衍生許多問題。審慎的電路板配置，能協助簡化旁路架構，但不一定能讓所有雜訊避開敏感的元件。

在選擇旁路電容器時，研究與判斷自諧振頻率（SRF）與串聯等效電阻（ESR）值，相當重要。許多線上資源可協助進行這類研究，如圖三所示Murata網站上可免費下載的程式（註五），透過Murata線上程式產生的S21圖表顯示，電容器能把雜訊分流至接地裝置。

《圖三　分流電容器的S21示意圖》

選用能夠有效降低多餘訊號的電容器，可幫助減少或消除電源上不需要的雜訊。

結論

選擇濾波器、遮蔽架構配置與旁路設計，都能協助減少或解決GPS訊號受到雜訊干擾問題。通盤瞭解所有潛在的干擾訊號，選擇濾波器進而降低雜訊頻寬；藉由設計印刷電路板的接地配置，能夠有效遮蔽並協助減少雜訊；接地配置對於旁路建置也相當重要。

旁路若要有效，必須瞭解電容器的頻率限制。設計人員必須瞭解可能傳經PCB的訊號頻率，並在電源軌上製造雜訊，藉此找出旁路電容器的數據。另一種有效的方法，是從無雜訊電源軌開始著手，逐步降低雜訊干擾，將GPS的電源層與其他含有雜訊的電源層加以區隔。藉著在設計階段建置這些方法，設計人員可減少花在找出雜訊來源的時間，並在PCB開始製造時，就把雜訊降到可接受的水準。

（作者為Tessera台灣區總經理暨東亞區總監）

＜參考資料：

註一：SAGEM, SCT TMO MOD SPEC 553 E, Date:23/11/04, Section 1.6 Product Features, P. 8/61

註二：Locosys Data Sheet of Locoys GPS Module, Ver 1.1, Section 4, GPS receiver, p. 3/28

註三：SAWTEK, Data Sheet of 856561 1575.42MHZ SAW Filter Electrical Specifications, Rev A 06-Mar-2006, page 2 of 6

註四：AVAGO, Data Sheet ACFM7101 PCS\Cellular\GPS Quintplexer

註五：http://www.murata.com/designlib/mccdl/index.html＞