多模智能移动终端中GSM和蓝牙的共存性设计

作者：上海交通大学 刘伟 黄佩伟
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。
对于GSM子系统，因为其发射功率远大于蓝牙子系统，对它的地，以及天线的参考地，都需要特别注意，着重防止它造成的地弹噪声对蓝牙子系统的影响。再者，从电路设计方面考虑，一般蓝牙和GSM的前端LNA输入等都是差分的，要注意前端差分线的布线和匹配电路布局的对称性，从而提高共模抑制。如果实验室有足够的条件，建议分析GSM频率分配方案和频综的架构，计算出本振和各个杂散频率和交调分量是否正好落在某个蓝牙的频点上，然后采用cable传导的方式，直接验证并测试这些可疑频点上GSM以最大功率工作时蓝牙的性能。如果有特别差的频点，还需要有针对性地分析布局布线或电路设计时引入的板上耦合途径。
3. 双天线系统辐射和耦合
在智能手机这么狭小的空间中，尤其是GSM子系统普遍采用内置天线的情况下，两个天线的距离进一步缩短，因此耦合情况更加复杂。在这个方面，本文主要考虑GSM/蓝牙天线耦合特性造成的链路预算问题、蓝牙和GSM两个系统的收发频带滤波，以及GSM/蓝牙天线的辐射模型。
前文已经描述了GSM的最大输出功率是＋33dBm，这会导致蓝牙接收器的阻塞。假定两个天线耦合因子是15dB，蓝牙接收器设置在最大增益模式(蓝牙弱信号情况)。同时，因为GSM频段离ISM频段比较远，所以主要考虑离ISM最近的DCS(1.8GHz)和PCS(1.9GHz)频段。这两个频段的最大输出功率都是30dBm。蓝牙接收的ISM频带滤波器中心带宽是2.442GHz，带宽为100MHz，那么PCS的发射载波处于蓝牙频带滤波器的约3.4倍频程处，DCS的发射载波处于蓝牙频带滤波器约4.4倍频程处。考虑最近的PCS频段，以德州仪器的BRF6100蓝牙基带＋收发器二合一芯片为例，其接收器1dB压缩点是-26dBm，算上3dB的容限，在PCS频段的输入功率不能超过-29dBm。假设在最差情况下，两个子系统天线的耦合系数只有-10dB,那么GSM子系统在PCS频段以最大功率发射时，蓝牙的频带滤波器在PCS频段上就需要有49dB的衰减，才能满足蓝牙接收器的带外阻塞性能指标要求。如果在两天线相互干扰较弱的情况下，双模的天线耦合因子能降低到-15dB～-20dB，那么蓝牙的接收前端声表滤波器就只需要44dB～39dB的衰减，便可以满足蓝牙接收链路预算的要求。
同样，对于GSM子系统，也需要对蓝牙输出端对GSM造成的带外干扰做抑制。如果考虑最接近ISM的PCS频段，按照GSM带内底噪-71dBm/100KHz的要求，PCS输出噪声功率密度为-121dBm/Hz。按PCS频段Tx滤波器的中心在Fo＝1.96GHz、带宽为75MHz计算，蓝牙芯片的NF是17dB,两个子系统天线耦合因子按-20dB计算，那么在PCS输出滤波器的3.6倍频程处的ISM频带上，蓝牙接收器的等效输入噪声为-157dBm/Hz。如果蓝牙要求的耦合噪声容限是-10dB的话，对于GSM子系统，为了满足PCS最大输出功率的要求，输出频段的ISM带外抑制就应该达到26dB。
除了链路预算以外，在实际的系统设计阶段，还发现可以对GSM发射器的VCO的噪声、I/Q调制器的噪声以及内部PLL造成的频率杂散多做些考虑。当然，这些难以直接计算，所以还是靠前面提及的板级设计隔离和屏蔽、合理的PCB走线及EMC设计来避免。同时要对蓝牙易受干扰的接收频点做实际测量。一般来说，辐射干扰的最差情况发生在连续GPRS操作时，此时有可能同时阻塞蓝牙的2个信道，导致误包率上升，但是，考虑到连续GPRS和蓝牙同时操作并非目前智能终端应用的主流(IP phone over GPRS还不太成熟)，对实际性能影响不大，本文主要考虑单发单收的GSM话音业务，这样处理较为简便。对于GSM的Tx谐波，主要注意2阶和3阶分量，它们一般落在蓝牙的带内，要注意按照上文的分析，给予足够的衰减。
在实际设计中应该使蓝牙和GSM子系统的频带滤波器各自在对方的带内分别达到35dB和26dB以上的衰减，取得了较好的效果。
然而，一味引入更大衰减的频带滤波器也不是最好的选择，这样会增大带内有用信号的插损，降低了实际的发射效率，增加了功耗，并可能带来输出功率不符合型号认证的问题。所以从前面的分析可知，设法降低两个子系统天线的耦合度，是一个更好的办法。
本系统将两个子系统和天线放置得尽可能远，以增加物理空间损耗。同时，在天线匹配电路的设计上，在蓝牙端尽量采用高通滤波网络来匹配，而GSM子系统的天线匹配策略采用低通网络的方式，这样达到了附加的抑制效果。有设备条件或者和专业天线厂家合作的情况下，还可以调整天线的极化和方向图，比如让GSM的天线处于XY平面，而蓝牙天线极化方向处于XZ平面，在测试方向图时注意观察和调整，同时在设计天线摆放位置和电流流向时加以恰当考虑，也能对降低耦合因子有一定效果。选用尽量窄带的天线也能减小两个子系统天线间的耦合因子，但这会提高天线设计的难度。如果有条件可进行仿真和计算，但是在实际开发过程中，这些都以工程测试的结果为准。
4. 系统级共存设计考虑

对于这两个子系统的供电设计，在开发过程中首要考虑的是如何降低这两个收发器之间开关噪声通过电源系统造成的耦合，然后是大功率的GSM发射时造成的电源瞬间压降对蓝牙系统的影响，最后就是地弹噪声的处理。在各个电源处合理采用退耦电容是常识，而对于GSM子系统，因为对电源瞬态响应要求高，需要大幅加宽电源线，并提供大的电容做稳压。对于蓝牙子系统，为了降低电源上的瞬态压降，也需要尽量降低电源线阻抗，并提供大电容稳压。在便携系统设计中，走线密度往往过高，造成单独电源面的制作比较困难，所以要注重电源线的布线，让它和主地之间的回流途径尽可能靠近，如果电源线能走在主地的邻接层，其EMI特性会更加理想。对于蓝牙芯片供电，除了要采用高PSRR的LDO，还要注意这个稳压器的布线优化，并增大它的输出电容，本文的做法是实际的电源优化要在大功率工作的同时进行，在工程实践中调整。为了减小地弹噪声，还要注意主地层的完整，以及前文提到的单独做两个射频地或者其它分割策略。
对于系统频率源的共享和分配，考虑到小体积的智能移动终端电路板面积极为紧张，因此最好能共享一个频率源。此时要防止共源造成的噪声和杂散传导耦合，因此，必要的滤波和匹配是不可或缺的。同时，要注意两个子系统对频率源的稳定性要求，通常，GSM子系统的频率源在同步信道解调成功后是受控的，而蓝牙子系统只是利用频率源产生本振后，和同步信道简单匹配来判断设备是否同步，并没有特别的AFC机制来控制频率源，所以，当GSM系统为了省电需要关闭GSM输入的时钟源而蓝牙仍需要稳定工作时，还需要设计一个简单合理的门控时钟来提供请求与仲裁机制，以保证两者都可以按需使用时钟，而两者都不用时，系统能完成时钟的关断，同时，GSM不工作时还需要保持时钟源的稳定性，以满足蓝牙的初始时钟稳定性要求。
结语

本文的智能终端设计，在常规的手机空间中满足了GSM和蓝牙型号认证发射和接收的各项指标要求，在GSM最大功率发射时，也能在5～7米的距离内用蓝牙耳机清晰地通话，通过以上思路和措施，合理完成了这个双模系统的共存性设计。本文总结了开发过程中的思考方法和工程经验，希望起到抛砖引玉的作用，给无线便携系统设计工程师提供一些参考