GPS之Pre-SAW与Post-SAW的探讨 - 图文

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Author??:??criterion??

Process??Gain??

由[1]可知，GPS讯号非常微弱，天线端接收讯号大约为??-125??dBm，而若整个系统带宽以2.046??MHz计算，其Noise??Floor大约??-110??dBm，此时SNR是负的，讯号淹没在Noise??Floor之下。然而，因为GPS为展频通讯[69]:????????

会有43??dB的处理增益。换言之，实际上讯号在基带处理时为??-82??dBm，因此，接收讯号最小可以到??-153??dBm。????

然而以上均为理论计算，为改善接收质量，实际的接收讯号，最好不要小于??-147??dBm[1]。??

Author??:??criterion??

One??Jammer??and??Noise??Figure??discussion??

由于GPS接收的是太空卫星发射的讯号，其接收讯号极微弱，??????

因此其接收讯号强度并不会大到足以使其LNA饱和，加上GPS只有单一Channel，换言之，会使LNA饱和的，皆为带外噪声。以手机而言，因为里面会有许多射频功能，彼此间可能会有所干扰，如下图[70]:??????

Author??:??criterion??

这使得Co-existence的重要性越来越大，该如何使GPS讯号避免被其他手机内部RF讯号干扰，是一大挑战。我们以DCS??1800为例，其发射频率为??1710??MHz??~??1785??MHz，很接近于GPS的1575.42??MHz。??????

如上图[1]，假设DCS??1800的发射功率为30??dBm，隔离度为15??dB，滤波器的抑制能力为40??dB，那么进入GPS接收器的DCS??1800讯号强度为??

-25??dBm。以Qualcomm的WTR1605为例[72]，其GPS接收器的P1dB为-13??dBm，????因此该DCS??1800的讯号，并不会使GPS接收器饱和。????

但反过来说，若无SAW??Filter的抑制，则进入GPS接收器的DCS??1800讯号强度为15??dBm，肯定会使GPS接收器饱和，如上图。因此SAW??Filter是必须的。????

Author??:??criterion??

而在手机应用中，为了进一步加强GPS与其他RF功能的隔离度，有可能为了避免GPS讯号被其他RF讯号干扰，会将GPS天线位置，远离2G/3G/4G的主天线，如下图[73]??:????

????????????????????

Author??:??criterion??

由于一般在手机应用中，2G/3G/4G与GPS，都是同一个接收机，如Qualcomm的WTR4905??:????

????????????????

Author??:??criterion??

而手机应用的接收机，会靠近主天线。换言之，其GPS天线，会离接收机很远，如下图:??

由Friis??formula得知????????

LNA前端的Insertion??Loss，也就是上式的F1最为关键，几乎主宰了接收路径整体的Noise??Figure[73]。因此GPS天线到接收器这段很长的走线，会大幅提高其接收路径整体的Noise??Figure。同时也由上式可知，LNA后方的Noise??Figure可忽略不计[73]。因此我们必须再添加eLNA(External??LNA)，一方面缩减F1，另一方面稀释eLNA后端Noise??Figure对灵敏度的影响。以降低接收路径整体的Noise??Figure，来提升灵敏度[20,33,73]。??????????????

Author??:??criterion??

倘若不加eLNA，那么天线到接收机的走线，以及接收机本身的Noise??Figure，都会反映在接收路径整体的Noise??Figure。我们由下图为例，所计算出来的接收路径整体Noise??Figure为7??dB??:????

但若加了eLNA，那么便只有eLNA前方的Insertion??Loss，以及eLNA本身的Noise??Figure，会反映在接收路径整体Noise??Figure，其它均可忽略不计。以下图为例，????所计算出来的接收路径整体Noise??Figure为1.8??dB??:????

换言之，以该情况为例，加了eLNA后，其接收路径整体Noise??Figure降低了5.2??dB(7??-??1.8??=??5.2)，亦即灵敏度会有5.2??dB的提升。??

Author??:??criterion??

如前述，因为GPS讯号极其微弱，而也已由前述分析可知，eLNA对灵敏度确实有提升作用。因此在GPS应用中，多半会添加eLNA[33]??:????

然而，eLNA之所以能提升灵敏度，主要原因是缩减了接收机前端的Insertion??Loss。换言之，该eLNA，应尽可能靠近天线，如此方可对灵敏度有最大提升。反之，倘若离天线很远，那么灵敏度改善的效果便会大打折扣。????????????????????????

Author??:??criterion??

以前述情况为例，加了eLNA后，其灵敏度可以提升5.2??dB。但倘若eLNA离天线很远，那么该eLNA改善灵敏度的关键，只剩稀释接收机Noise??Figure对灵敏度的影响，其灵敏度只能提升3.2??dB，亦即灵敏度的改善情况大打折扣。????????????????????

Author??:??criterion??

因此在摆放eLNA时，必须离GPS天线越近越好:????

而灵敏度的改善，对于TTFF(Time??To??First??Fix)的缩减，也会有所改善，亦即用户定位时的速度会较快[1]。以Qualcomm的8系列平台为例，其TTFF大概可在50秒之内。????????????????????????

Author??:??criterion??

当然，其GPS的eLNA前方，依然要放SAW??Filter，以前述的DCS??1800讯号为例，进入eLNA的讯号强度为??-25??dBm，而以AVAGO的ALM-1106为例，其P1dB约为1.8??dBm[74]。换言之，若加了SAW??Filter，则该DCS??1800讯号，并不会使eLNA饱和。????

反之，若未加SAW??Filter，则该DCS??1800讯号会使eLNA饱和。????

????????

Author??:??criterion??

若外来噪声过大时，会使LNA饱和，导致Gain下降，其噪声的强度越强，??则Gain就下降越多，如下图[77]:????

而由前述Friis??formula得知，若Gain越小，则接收机整体的Noise??Figure就会越大，亦即灵敏度越差。若LNA的Gain降为零，即GPS讯号经过LNA时，完全不会被放大，加上GPS讯号极其微弱，因此有可能被Noise??Floor淹没，此时称该接收讯号被阻塞(Blocked)。????

除此之外，LNA饱和会使整体Noise??Floor上升，亦即SNR下降，则灵敏度也会变差。因此GPS??eLNA前方的SAW??Filter是必要的。??

Author??:??criterion??

另外，一般而言，LNA并非只会放大带内讯号，以Infineon的BGA725L6为例[75]，虽然这是颗针对GPS讯号的LNA，操作频率为1550??-??1615??MHz，但实际由量测结果得知，即便是带外噪声，一样有放大作用。由下图可知，该eLNA对于前述的DCS??1800讯号，仍有15??dB的Gain。????

因此我们计算一下，eLNA输出的DCS??1800讯号，大约??-10??dBm。而以Qualcomm的WTR1605为例[72]，其GPS接收器的P1dB为??-13??dBm，亦即该DCS??1800讯号，会使接收机饱和，进而使灵敏度下降。????

Author??:??criterion??

因此我们必须在eLNA后方，再多加一颗SAW??Filter，来保护接收机。由下图计算结果得知，此时进入接收机的DCS??1800讯号，大约为-50??dBm，远低于接收机的P1dB，并不会有饱和的风险。????

因此在GPS的应用中，其eLNA的前后端，多半都会各加一颗SAW??Filter[33]。????

eLNA前方的SAW??Filter，我们称之为Pre-SAW。而eLNA后方的SAW??Filter，??我们称之为Post-SAW。而已由前述分析可知，Pre-SAW作用是保护eLNA，??而Post-SAW的作用是保护接收机。????

Author??:??criterion??

一般而言，对SAW??Filter而言，Insertion??Loss小，其带外噪声的抑制能力就会较差[1]。然而由前述已知，LNA前端的Insertion??Loss最为关键，只要多个1??dB，????那么灵敏度就是硬生生劣化1??dB。因此在挑选Pre-SAW时，需牺牲一点带外噪声的抑制能力，挑选Insertion??Loss较小的[76]。????

因此，同样都是TDK的SAW??Filter，其B3522跟B8313的安排应如下图??:????

??????

Author??:??criterion??

Two??Jammers??discussion??

以上讲的是只有一个外来噪声的情况，然而除了自身手机内部，会有外来噪声，??邻近的手机，也会导致外来噪声。如下图[1]????

当然，上图这两个带外噪声，由计算结果得知，都不会使eLNA饱和。但这两个带外噪声会因为eLNA的非线性，而产生IMD(Intermodulation)，尤其是IMD3，????因为会刚好座落在讯号频率范围，如下图[78]??:??????

Author??:??criterion??

假设DCS??1800的发射讯号为1713??MHz，而UMTS??Band??2为1851??MHz，则eLNA输出的IMD3，其频率为(2??x??1713)??–??1851??=??1575，正好为GPS的讯号频率。??换言之，该IMD3会提升GPS讯号的Noise??Floor，使得SNR下降，且一路伴随着GPS讯号降频为基频，劣化灵敏度。????

就算eLNA的线性度很好，但若接收机线性度不好，一样会产生IMD3。????

因此我们得知，假设有两个以上的外来噪声时，即便其强度不足以使eLNA或接收机饱和，但因为GPS讯号太过微弱，故这两者所产生的IMD3，仍会劣化灵敏度。更重要的是，如前述，IMD3的频率范围，会座落在GPS讯号附近，这用SAW??Filter是无法滤除的，因此必须特别注意IMD3。而由[81]可知，IMD3的公式如下??:????

由上式可知，若f1跟f2的强度可以大幅衰减，则IMD3便可大大降低。因此再次验证，将GPS天线位置，远离2G/3G/4G的主天线，是有必要的，因为可透过隔离度的提高，来压制进入eLNA，以及接收机的f1跟f2强度，进而降低IMD3对GPS讯号的危害。??????

Author??:??criterion??

另外，也由上式可知，若IIP3不好，则IMD3便会大大提高，假设IIP3劣化1??dB，则IMD3会直接增强2??dB。因此eLNA跟接收机的线性度很重要，因为会进而影响灵敏度。故再次验证SAW??Filter的重要性，因为倘若eLNA跟接收机的线性度不好，那么IMD3对灵敏度的危害便大为增加，但SAW??Filter可以削弱外来噪声的强度，进而降低IMD3的危害。因此，Pre-SAW可帮忙舒缓对eLNA的线性度要求，而Post-SAW可帮忙舒缓对接收机的线性度要求[73]。??????????????????????????????????????????

Author??:??criterion??

eLNA??Gain??

前面提到，若eLNA的Gain越小，则接收机整体的Noise??Figure就会越大，亦即灵敏度越差。那么，是否eLNA的Gain应该越大越好?????

下式是接收机整体的IIP3公式[78]??:????

由上式可知，当eLNA的Gain越大时，则接收机整体IIP3就会越小。换言之，对于整体接收机而言，其eLNA的Gain，不只与Noise??Figure有关，也跟IIP3有关。我们将其画成下图[73]??:??

Author??:??criterion??

由上图可知，eLNA的Gain越大时，固然可以压低接收机整体Noise??Figure，????但是会有极限。以上图为例，当Gain大于15??dB时，其Gain的增加，几乎无助于接收机整体Noise??Figure的降低。但eLNA的Gain越大，会使得接收机整体的IIP3下降，且呈现无极限的线性关系，Gain每增加1??dB，其IIP3就下降1??dB。??换言之，以上图为例，当eLNA的Gain超过15??dB时，已无助于接收机整体Noise??Figure的压低，但却仍会劣化接收机整体IIP3，可说有害而无益。而我们已由前述得知，IMD3对GPS讯号的危害，也知道IIP3越小，抑制IMD3的能力就越差，????亦即对GPS灵敏度的危害就越大，也就是说，线性度劣化，同样会导致灵敏度劣化[73]。????

因此，我们可知，对于eLNA的Gain，绝非越大越好，也非越小越好，??而是刚刚好最好，必须在线性度跟Noise??Figure之间，取一个平衡点。????

而对于eLNA的要求，一般如下图??:????

因此以AVAGO的ALM-1106为例[74]????就符合以上要求。??

Author??:??criterion??

SAW??Filter??at??PA??input??

由[79]可知，以WCDMA的Band1为例，倘若收发器的输出Tx讯号，其两旁频谱较高，亦即ACLR较大时，那么经过PA放大后，其Tx讯号两旁频谱会更高，这会大幅提升GPS的Noise??Floor，使其灵敏度变差。????

所以，为保险起见，最好在WCDMA??Band1的PA输入端，放置SAW??Filter，??避免Tx讯号的两旁频谱，提升GPS的Noise??Floor。????

????

Author??:??criterion??

若考虑SAW??Filter的成本，可以采用Co-layout的方式，以验证SAW??Filter对GPS灵敏度有无影响。但Layout方式，切记不可如下图??:????

虽然以电路而言，上图也有将SAW??Filter??bypass的功能，但实际Layout上，??????在走SAW??Filter这路时(亦即0奥姆电阻拔除时)，其SAW??Filter输入输出端，会有残段，很可能原本Matching1，已经将阻抗调到50奥姆，但之后又因为Stub1??使阻抗偏移，导致SAW??Filter输入阻抗非50奥姆。????

而Stub2造成的阻抗偏移，原则上可以靠Matching2调回来，但若Stub2太长，??则Matching2未必能调得回来。如此一来，会使得SAW??Filter输入输出阻抗，??皆偏离50奥姆，进而改变其频率响应，加大其Insertion??Loss，劣化其带外噪声??抑制能力。更重要的是，Stub1跟Stub2造成的Stub??effect，会造成额外的Insertion??Loss，这就不是Matching可以调回来的。????????

Author??:??criterion??

另外，RF走线的分支点，必须很靠近SAW??Filter。??

如上图，假设分支点离SAW??Filter太远，那么走0奥姆电阻这路时(亦即SAW??Filter拔除时)，??Stub1跟Stub2，会造成阻抗偏移。且如前述所言，Matching2未必能调得回来，如此会使PA输入阻抗，偏离50奥姆，这会有ACLR劣化，以及VCO??Pulling的风险，这两者都会使灵敏度劣化。且Stub1跟Stub2造成的Stub??effect，会造成额外的Insertion??Loss，这就不是Matching可以调回来的。????????

所以采用Co-layout时，为了将Stub??Effect降到最低??:??

1.必须放两个0奥姆电阻??2.分支点必须极靠近SAW??Filter??3.0奥姆电阻????必须极靠近分支点??

????

Author??:??criterion??

此外，在摆放SAW??Filter时，必须极靠近收发器，????

如上图，倘若离收发器过远，那么SAW??Filter之前的Tx讯号，很可能会耦合到GPS走线，加上未经过SAW??Filter的TX讯号，其两旁频谱较大，如此很可能会干扰到GPS讯号。虽然PA输入能量较小，但对于极微弱的GPS讯号，依旧是很大的威胁。因此SAW??Filter摆放位置必须极靠近收发器，如此Tx讯号从收发器出来后，其两旁频谱便可马上透过SAW??Filter抑制，进而减少GPS灵敏度劣化的风险。????????????????

Author??:??criterion??

Cross??Modulation??

下图是包含Pre-SAW跟Post-SAW的LNA??Module[82]??:????

已由前述得知，GPS的Pre-SAW跟Post-SAW是必要的，Pre-SAW可保护eLNA，??并舒缓其IIP3的要求。而Post-SAW可保护接收机，并舒缓其IIP3的要求。??且采用这种LNA??Module的话，还可在PCB上，减少eLNA输入端跟输出端??的Matching组件，以节省空间，看起来是个有利无害的方案。????

但实际上，在手机应用中，采用这种方案是不洽当的，为什么???我们接着往下作分析。????????????

Author??:??criterion??

由[78]可知，WCDMA或FDD-LTE，因为Tx跟Rx会同时运作，所以会有Tx??Leakage。??

而前述已知，一般在手机应用中，2G/3G/4G与GPS，都是同一个接收机，如Qualcomm的WTR4905。这表示GPS走线，很可能会很靠近WCDMA或FDD-LTE的Rx走线，亦即其Tx??Leakage，可能会耦合到GPS走线，如下图[78]:????

Author??:??criterion??

当然，如前述，为了加强GPS与其他RF功能的隔离度，故GPS天线会离接收机很远，且为了缩减接收机整体Noise??Figure之故，其eLNA会离GPS天线很近，??亦即Tx??Leakage，并不会耦合到eLNA的输入端，但却会耦合到接收机的输入端。??加上如前述，不管是自身手机内部，或是邻近的手机，都会导致外来噪声。换言之，接收机的输入端，会有三个讯号??:??GPS讯号、外来噪声、Tx??Leakage。????

如前述，外来噪声跟Tx??Leakage，会因接收机的非线性，而产生邻近GPS讯号的IMD3。除此之外，因为WCDMA或FDD-LTE的Tx讯号，其调变为非恒包络，??故还会额外产生XMOD(Cross??Modulation)[78]??:????

Author??:??criterion??

由上图可知，XMOD的频率点位置，会很邻近GPS讯号。且由下图可知，XMOD的强度，甚至比IMD3还大。????

换言之，外来噪声与Tx??Leakage，会在接收机内部，同时产生邻近GPS讯号的IMD3跟XMOD，且一路伴随着GPS讯号降频为基频。????

????????

Author??:??criterion??

而XMOD的公式如下??:????

由上式可知，若Tx??leakage能有效降低，便可同时大幅减少IMD3跟XMOD对灵敏度的危害。由下图便清楚得知，有无Tx??Leakage，对GPS讯号的Noise??Floor??有很大差异[78]??

????????????????

当然，Tx??Leakage是一定会存在，因此只能尽可能压制。例如加强双工器的Isolation，不论是透过料件挑选，或是Layout的改善。由下图可知，双工器的Isolation变大，则XMOD就会变小[78]??:????

Author??:??criterion??

以及如前述，使GPS走线，远离WCDMA或FDD-LTE接收走线，如此耦合到接收机输入端的Tx??Leakage，亦可大大降低。????

最重要的是，如前述，Post-SAW可保护接收机，并舒缓其IIP3的要求。因此必须仰赖Post-SAW对Tx??Leakage的抑制，来降低IMD3跟XMOD对灵敏度的危害，????如下图??:??

其Post-SAW对于Tx??Leakage近40??dB的抑制能力，依据前述公式计算，可使IMD3与XMOD衰减80??dB。因此这便是为何相较于Pre-SAW，其Post-SAW的带外噪声抑制能力更为重要。????????????????????

Author??:??criterion??

因此，在手机应用中，采用LNA??Module之所以不洽当，原因就在于Post-SAW会离接收机太远，无法抑制Tx??Leakage，进而失去保护接收机，以及舒缓其IIP3要求的功能，如下图:??

由上图可知，虽然??-28??dBm的Tx讯号，不至于会使接收机饱和。但少了Post-SAW对于Tx??Leakage近40??dB的抑制能力，其IMD3与XMOD的强度会大幅提高80??dB，这对微弱的GPS讯号而言，当然是极大危害。由[84]可知，IIP3与P1dB的对应关系如下??:??

因此我们可得到各项参数如下 :

Author??:??criterion??

将上表参数，带入XMOD的公式计算，则XMOD会至少大于??-100??dBm，这已高出原本??-110??dBm的Noise??Floor了。因此，若要采用LNA??Module，??只能采用下图这种包含Pre-SAW的Module[83]，Post-SAW仍需额外摆放。????

当然，Post-SAW摆放位置，要极靠近接收机，否则依然无法起到保护接收机??的功能。????????????????????????

Author??:??criterion??

下图可知，若接收机的IIP3不同，其GPS讯号的Noise??Floor，也会有所不同，??进而影响灵敏度。????

由前述XMOD的公式得知，若接收机的IIP3下降1??dB，那么IMD3跟XMOD，????便会提升2??dB。因此结合前述，我们得知，若eLNA的Gain加大1dB，那么接收机整体的IIP3，就会下降1??dB，使IMD3跟XMOD提升2??dB。因此再次强调，????eLNA的Gain，不是越大越好，也不是越小越好，而是刚刚好最好。??????????????

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