手机GPS接收灵敏度

手机GPS接收灵敏度上层楼厘清讯号干扰为治本之道新通讯2008年11月号93期文.赖盈霖在九十二期专栏中已针对全球卫星定位系统(GPS)接收机和手机芯片整合模式进行完整介绍，同时亦剖析模拟和数字基频接口的设计考虑；本期专栏将继续探讨GPS与手机芯片整合时，手机电路对GPS接收机的干扰问题。手机系统对GPS干扰问题重重GPS接收机和手机整合最容易面临的问题便是来自手机和主板的干扰会导致GPS接收机灵敏度(Sensitivity)降低、C/N0值降低以及造成卫星误判(FalseAlarm)。一般说来，手机系统对GPS的干扰可以分类为外频(Out-of-band)和同频(In-band)干扰。图1所示为干扰源的树形图。图1GPS接收机干扰源树形图手机射频为GPS外频干扰元凶外频干扰主要是成因为手机发射机所发射的高功率载波。一般手机的发射功率在全球行动通讯(GSM)频段最高发射功率可达33dBm，在DCS频段最高发射功率亦可达30dBm；就平均发射功率而言，手机的发射功率通常在20dBm以上。相较之下，卫星讯号抵达GPS接收机天线的功率在户外约为-130dBm，而在室内则降低到-150dBm左右。虽然手机所发射的高功率载波落在GPS的外频，但这两种讯号的功率位准相差甚大(可达150〜180dBm)，再加上低噪声放大器(LNA)本身是一种宽带的组件，因此会对第一级低噪声放大器产生非线性效应。此一非线性效应会在GPS接收机内产生讯号饱和(Saturation)、压缩(Compression)和互调变(Inter-modulation)，进而导致GPS接收机C/N0值的降低，甚至产生同频的干扰讯号。GPS的操作频率为1,575.42MHz，因此当手机操作在DCS频段时会对GPS接收机的C/N0值造成最大的影响。理论上，当手机操作在DCS频段的最低频道(ARFCN为512,fc=1,710.2MHz)且发射功率亦为最大时(30dBm)，会对GPS接收机的C/N0值造成最大的负面冲击。因此，一般要评估手机对GPS接收机所造成的C/N0值降低的影响，都会利用上述的无线电组态(RadioConfiguration)来评估。此外，北美地区的通用行动通讯系统(UMTS)会布建在先进无线服务频段(AdvancedWirelessService,AWS)，AWS频段的上行频段为1,710M〜1,755MHz，且下行频段为2,110M〜2,155MHz(和UMTS频段相同)。至于整体封包无线电服务(GPRS)在DCS频段的最低频道和UMTS在AWS频段的最低频道以最大功率发射对GPS的C/N0值影响何者为大，笔者还没有定见。GPRS的最大发射功率为30dBm，但由于仅使用两个上行时槽(TimeSlot)，因此其工作周期(DutyCycle)仅为25%。相较之下，宽带分码多任务存取(WCDMA)的最大发射功率虽然较低(24dBm)，但其工作周期为100%。高功率的手机讯号进入GPSLNA的大小会受到下列几项因素的影响：发射功率、分时多任务(TDMA)系统的工作周期、GPS天线和手机天线的隔离，以及GPS射频前级的表面声波(SAW)滤波器对手机发射载波频率的抑制。笔者认为TDMA系统对GPS性能的影响会比WCDMA系统要来得多，因为功率大小才是造成干扰的最主要的原因，至于工作周期的影响是比较轻的。同频干扰成因相对复杂同频干扰源主要有宽带噪声(WidebandNoise)和连续波干扰(ContinuousWaveInterference,CWI)两种不同形式。其中宽带噪声的来源主要是GSM载波在外频的辐射落在GPS的频带内所造成，图2为GSM载波频率在1,710MHz时频带外的辐射落在GPS频带内所产生的宽带噪声。图2GSM载波在频带外的辐射对GPS频带所产生的宽带噪声前述干扰型态实为外频干扰的延伸，亦即当手机频段外的辐射干扰落在GPS频段内时，会对GPS接收机造成同频干扰。这类干扰无法藉由任何射频讯号处理手段解决。此外，由于这类噪声属于宽带噪声，因此会将GPS频段的噪声位准提高，进而导致C/N0值的降低。除了这类噪声干扰之外，GPS接收机C/N0值降低还有以下几项成因，包含TDMA系统的工作周期、手机收发机内的双功器(Diplexer)对GPS频段的抑制效果、手机发射滤波器在GPS频段的抑制效果、GPS天线和手机天线的隔离等。其中在手机发射滤波器部分，由于TDMA系统的发射时槽和接收时槽会相距三个时槽的时间，因此手机的发射滤波器在设计时通常不会将外频抑制性能纳入考虑，使得手机收发器对GPS频段的干扰难以有效处理。至于在CWI的部分，又可以分类为纯CWI和调变的随机干扰(ModulatedRandomInterference,MRI)。CWI虽然会降低GPS的C/N0值，但除非是很高功率的CWI，否则对GPS接收机整合设计而言，CWI所造成的C/N0降低并不是主要的考虑。CWI所造成的主要负面冲击在于，由于GPS讯号的周期性(Periodicity)和同相积分(CoherentIntegration)，会使得CWI严重地影响到GPS的讯号处理。CWI的来源可以是本地振荡器(LO)的谐波，例如在高通(Qualcomm)的解决方案中，VCTCXO输出频率的第八十二次谐波会落在GPS的频带内、主板上面数字频率的高次谐波，例如液晶面板本身就可能是CWI的主要来源，或行动数字电视接收机的窄频LO。MRI的定义则是具有调变且在频谱上展开的CWI讯号，主要的来源是调幅广播的高次谐波以及内存传输线中数字频率的高次谐波。MRI因为具有调变和频谱展频的特色，因此对GPS接收机的

影响远不如CWI。GPSC/A码是金氏码的一种，且其周期为1毫秒。因此C/A码具有线频谱(LineSpectrum)的特质，如图3所示。图3在C/A码频谱的带宽内将导航资料展频不同的伪随机噪声码(PRN)会有不同的线频谱形状(Pattern)，因此CWI在不同的PRN码下会有不同的效应，而且这是可以被预测的。最差的频谱线意味着在这个频率之下，GPS讯号最容易受到同频CWI的影响。通常这样的频谱线会发生在PRN码具有最高的功率的线频谱上面。每一个PRN码的最差的频谱线的位置都不会一样，图4显示PRN1的线频谱，而图5则显示PRN1的线频谱的放大图。从图5中可以发现PRN1最差的线频谱会落在距离GPS中心频率42,172Hz的位置。图4PRN1的线频谱图5PRN1的最差的频谱线展频过的数据抵达接收机天线时会存在两种干扰讯号：宽带噪声和窄频干扰讯号(类似CWI)。接收到的GPS讯号在和本地所产生的PRN码进行相关运算之后会将CWI分布在每一个线频谱上(图6)。图6在相关运算之后CWI被分布在每一个线频谱上接收机的解扩展（Dispread）就是将接收机本地所产生的PRN码乘上取样的讯号，宽带噪声会被均匀的散布频带内而CWI则会被复制成线频谱。只有当干扰讯号（宽带噪声和CWI）落入追踪回路的低通滤波器的带宽内时，才会和导航资料一起被滤出（图7）。图7干扰讯号落在追踪回路的带宽内时会和导航数据一起被滤出因为多谱勒效应的缘故，不同卫星在不同的时段会受到CWI的影响而导致C/N0的降低。CWI对卫星的C/N0的影响和卫星的多谱勒频率与PRN码本身有关。多谱勒变化率会影响到卫星沟槽的宽度，而PRN码则会决定卫星的受到CWI影响的时段。此外，特定PRN码的线频谱和CWI的频率相同时，CWI亦会影响到C/N0沟槽的深度。GPS卫星C/N0值可以藉由下列公式计算出来:C/N=>&心）罚顽4/工））20或）v其中N0：热噪声的功率Ln:噪声的处理增益（ProcessingGain）Td:讯号的积分时间长度「：讯号码相位的位移（以码片为单位）人A-A：估算的载波频率，/：CWI的载波频率，"£:第j条频谱线的系数服）:接收到的C/A码和接收机所产生相同C/A码的互相关图8显示卫星1在不同的多谱勒频率下利用公式所计算的C/N0。假设CWI的频率距离GPS频段中心为14kHz。从图8中可以发现当CWI和C/A码的线频谱一致时C/N。会有沟槽产生（当没有CWI时C/N0值应为一常数），沟槽的频率会落在1kHz的整数倍且不同的频率下沟槽的深度会不同。都卜勒帽率(％)图8卫星1的C/N0值在有CWI时所产生的沟槽在GPS接收机的操作过程中，最害怕的就是接收机受到射频干扰(RadioFrequencyInterference,RFI)。在射频部分，RFI可能会影响到LNA和自动增益控制(AutomaticGainControl,AGC)；在基频部分，RFI会影响到载波(Carrier)和码追踪回路(CodeTrackingLoop)。其干扰的影响轻重程度端视RFI经由射频和模拟中频/基频阶段讯号处理之后所剩下的能量，轻则影响GPS对卫星讯号的量测，严重时甚至会导致卫星讯号脱锁(Out-of-lock)。在RFI中，CWI是一个会严重影响到GPS的C/A码的因素，这主要是因为C/A码的讯号频谱具有许多间距为1kHz的线频谱，而这些线频谱最容易受到CWI的影响。审慎进行设计整合GPS接收干扰有解要让接收机较不会受到CWI的影响的唯一办法，就是当有CWI掉入GPS频带时，接收机能够侦测到这些CWI讯号并将其影响降至最小。CWI侦测的机制可以放置在GPS接收机相关运算之前或之后，在前面的称为前相关(Pre-correlation)侦测，而在后面则称为后相关(Post-correlation)侦测。前相关的侦测是利用天线、自动增益控制器或模拟数字转换器来侦测和描绘CWI。特别是在天线部分，其实可透过使用数组天线处理的技术来化解CWI干扰的问题，只可惜由于成本考虑，商用GPS接收机通常不会采用。因此，在商用GPS接收机整合的案例中，多半都是采用后相关的技术来侦测CWI的讯号。CWI对GPS接收机所造成的影响主要是降低接收机的C/N。、造成卫星误判、增加首次定位时间(TTFF)、降低定位精准度等。后相关侦测可解决降低与卫星盖台问题功率较高的CWI会影响到AGC回路的增益设定，导致卫星讯号更低于噪声层而降低GPS接收机的最终的C/N0值的计算。因为CWI所产生的C/N0值的降低只能透过增加模拟数字转换器的位数来改善，无法透过任何基频数字讯号处理的技术解决。GPS讯号在解相关运算之前，会埋在热噪声层之下，因此AGC回路增益控制的设定点(SetPoint)会设在中频或基频的讯号功率。AGC回路基于所接收到的讯号功率来自动调整中频或基频增益的大小。当GPS频段有CWI存在时会影响到AGC回路的设定点导致较小的中频或基频增益加在GPS讯号上面，导致GPS讯号更远离热噪声层因而降低最终的C/N0值。当CWI的功率位准高于热噪声层时，C/N0值的降低会变的很明显。卫星误判的问题的解答则相对单纯些。一般来说，GPS芯片业者会利用CWI将可视卫星盖台作为量测准则，来提供CWI的遮幕(Mask)给系统设计商。系统设计商的硬件工程师只要确保主板上面的CWI功率不会超过此CWI遮幕即可，越高的CWI遮幕值越能减轻主板电磁干扰(EMI)除错的压力。在追踪模式(TrackingMode)时，GPS接收机的量测引擎(MeasurementEngine,ME)可以很轻易的得知此时使用者天空上可视的卫星有哪些，因此卫星误判可以轻易的利用后相关侦测来检验码域频域上的峰值讯号，并判断哪些是真实的卫星讯号，而哪些只是CWI所造成的假讯号。在追踪模式时的假讯号并不会造成GPS接收机性能的下降，只要CWI不会将可视卫星的数目盖掉太多，位置引擎(PositionEngine,PE)还是可以轻易的计算出位置。更精确的做法就是ME可以准确的侦测CWI，使得(NMEA)的序列不会输出不应该存在的卫星的信息。量测引擎良窳决定首次定位时间首次定位时间受CWI影响的程度会和CWI的属性(单频或多频)、CWI的功率(高过热噪声层多少dB)、CWI的频率、PRN码的线频谱、GPS接收机的操作状态和用户的使用模式(UserScenario)密切相关。当GPS接收机是处于冷启动(ColdStart)或远距开机(FarStart)时，若GPS频段存在高功率的CWI时，其所受到的影响会相当严重。在这两种操作模式之下，ME无法得知天空中可视的卫星有哪些，在解相关(De-correlation)运算之后，CWI的行为会和真实卫星在解相关运算之后的行为很类似(在二维搜寻空间皆会存在峰值)，而导致ME会将CWI误判为真实卫星，并进行后续追踪(计算伪距离)和尝试译码(导航讯息的译码)等动作，进而增加TTFF时间。一般来说在进行卫星数据的译码程序时，ME很快就可以发现所要尝试译码的讯号不是真实的卫星讯号，而是一个干扰讯号(JammingSignal)。一旦发生这种情况，便会放弃在此多谱勒频率(DopplerFrequency)的卫星讯号的撷取而移至下一个可能的频率槽(FrequencyBin)。在此种接收状态和使用模式之下，TTFF的影响程度会和GPSME对CWI判别的能力和侦测的速度有关。最坏的情况是当高功率的CWI影响到ME对噪声层的计算，以及高功率的CWI加上噪声层经过解相关运算后，超过ME所设定的卫星讯号峰值侦测的临界值时，噪声层上的所有随机噪声都会被ME视为是真实的卫星讯号，而尝试去追踪和解石&进而导致ME陷入无穷尽的错误撷取(FalseAcquisition)状态。在热启动(WarmStart)时，ME可以利用最后一次的定位信息和存放在非挥发性内存(NVRAM)的卫星星历(Almanac)和时间信息计算出此时天空可视的卫星有哪些，以及相关卫星大约的多谱勒频率，ME可以利用可视卫星和相关的都卜勒频率的信息来辅助CWI的侦测。此外，当CWI的功率超过临界值时，也会产生错误撷取的情况而导致大幅度的增加TTFF(和冷启动以及远距开机的情况类似)。另外一种常见的使用情况是假设用户的个人导航设备(PND)放置在车上，且车子停放于地下停车场。隔天当使用者发动汽车并打开PND时，PND内的GPS接收机会开始进行卫星讯号的撷取，但此时因为车子还是在地下室所以不会有