讓移動電話GSM噪聲減至最少的技術

現(xiàn)今的GSM手機都利用大功率放大器在手機與基站之間獲得最大的通信距離，這些大功率放大器的電流消耗大，并以頻率相對較低的間歇模式 (burst mode) 運作，往往對手機的正常操作造成干擾，產生我們能聽到的令人厭煩的持續(xù)嗡嗡聲。這種噪聲通常在手機靠近話筒或其它電子設備時會聽到。本文將討論這種現(xiàn)象產生的某些機理，并確定解決這一問題公認的可行解決方案。

現(xiàn)今手機的設計要求：

為配合市場的需求，現(xiàn)今的手機都采用緊湊的設計，因而使一些高靈敏度的電子組件相互之間靠得很近。這些電子組件不僅要求尺寸非常小，而且還不能干擾手機的正常工作或對鄰近設備構成破壞。此外，現(xiàn)今的手機設計必須能在基站發(fā)送信號強度極小的情況下仍然正確無誤地工作，也就是說，手機必須在最大功率水平下發(fā)送信號。

隨著全球手機用戶越來越多，為了擴大市場占有率，手機廠商要求手機設計周期縮短，而功能增多，所以手機設計人員常常不得不采用高組件密度的PCB布局。這樣，走線設計的時間表受到很大的約束，即傳統(tǒng)的走線和串擾檢查可能受限，甚至跳過，只要原型手機能夠工作就行了。原型機常常只需證明基本功能已經實現(xiàn)，可能并不包括整個RF (RF發(fā)送器) 功率輸出測試，但往往正是這最后一步的演變過程導致了“GSM Buzz” (GSM噪音) 問題。

用戶問題的描述：

用戶是否發(fā)現(xiàn)，在會議室開會時，只要將手機靠近電話麥克風就會聽到一種重復又刺耳的嗡嗡聲？有時甚至手機并未在使用，但只要處于開機狀態(tài)，都會聽到這種干擾聲。將手機遠離麥克風，干擾就會減少。類似情況在GSM手機靠近AM或FM收音機時也會發(fā)生。手機設計人員常常將這種討厭的重復嗡嗡聲叫做“GSM Buzz”。這一問題完全出于手機本身，尤其是RF功率放大器芯片處于滿功率輸出水平時。

問題的技術闡明：

現(xiàn)今的手機均配備了足以向RF功率放大器芯片提供所需功率的高能效電池。這些功率放大器芯片輸出大量的RF能量，頻率范圍為850/950 或800/1900 Mhz的 GSM頻帶，GSM發(fā)射功率為+33 dBm，調制脈沖間距為217 Hz。圖1所示為GSM手機中常見的音信范圍內之間歇脈沖譜內容。

圖1：GSM間歇脈沖譜內容

RF能量的間歇脈沖如何產生音頻噪聲

217 Hz間歇脈沖從手機電池產生大量功率驟增。這些功率驟增的程度視乎功率放大器的效率而定，一般等于1到2安培。由于是大電流瞬變，因此只要借助很小的電阻和電感就能在整個手機中形成217 Hz的電壓瞬變。圖2所示為217 Hz RF功率瞬變所產生的典型電壓瞬變。圖2顯示出音頻芯片的功率。值得注意的是：電源軌和接地參考發(fā)生了偏移。在本例中，這表明電源和參考地接點存在阻抗。217 Hz方波包絡 (wave envelope) 也可能包含完全落在音信頻帶內的諧波成分。

圖2：典型的217 Hz功率瞬變

這種寄生電阻和電感在手機中許多地方都可找到。通常出現(xiàn)在電池本身內；或多層PCB的層間通孔處；或走線電阻，甚至在連接器上。圖3所示為手機中出現(xiàn)寄生電阻和電感的典型部位。

圖3：手機常見的高電阻和高電感位置

問題的解決方案

增加旁路和去耦電容

第一個最合理的解決方案是在功率放大器芯片附近添加旁路電容和去耦電容，然后在音頻信道組件附近也增加旁路電容和去耦電容。重點最好先放在功率放大器上，添加這些電容然后重新測試。由于電流很大，添加在RF功率芯片附近的去耦電容也應該非常大。由于尺寸和成本的限制，電容的尺寸必須減小，這樣電壓偏移會大于正常值。此外，由于功率瞬變脈沖邊沿變化速率會大大超過去耦電容的帶寬，因此還應當采用旁路電容 (一般為.01 uF)，而這些電容必須靠近功率放大器芯片。另外，還可在電池上并聯(lián)一個大的退耦電容，以減少電池內阻造成的電壓瞬變，甚至可消除手機中的某個問題。然而，PCB和柔性電路造成的壓降仍然存在，因此GSM buzz仍然有可能出現(xiàn)。

到達功率放大器芯片的路徑

功率放大器芯片必須有很多低感抗和低阻抗的參考地和電源路徑，這些路徑從電池到每個連接點 (包括連接器、柔性電路、PCB和焊盤) 都必須一致。此外，還必須盡可能布最短走線，而且偏移要減到最小。理想的電源和接地走線應與功率放大器芯片構成平面。但由于空間有限，所以往往做不到。還有一點非常重要，不可將功率放大器芯片的電源線直接走在音頻信道之上。經調制的功率軌很可能耦合到音頻電路中，并被放大。

通孔

穿過通孔的不良電源和接地是造成GSM buzz問題的最主要成因。如果可能，盡量通過PCB、柔性電路和連接器來走線而避免使用通孔。如果非用不可，最好平行地成對用或四個一起用，并確保電源和接地都有足夠的保護措施。有很多方法可以估算阻抗和感抗，而這也是設計的一部分。

隔離高阻抗點

普通的電阻測量技術一般都不夠精確，無法發(fā)現(xiàn)手機電路中的高阻抗點。較昂貴的萬用表 (multimeter) 采用一種能精確測量電阻的技術，即所謂四線測量。這種技術使用四根線以及萬用表上稱作源端 (source) 和感測端 (sense) 的四個接線端，從而有效地排除萬用表引線的電阻，只留下被測電阻值。這種萬用表用戶手冊通常會說明如何制作四線測量引線。

壓降

可用基本的奧姆 (Ohm) 定律估算手機中可疑電路段的壓降。已知瞬變電流可達1至2安培，那么可疑電路段的電阻只要有毫歐，就有可能同時在接地和電源通道上產生100mV壓降。值得注意的是，有時壓降可能出現(xiàn)在電源通道，而不出現(xiàn)在接地通道，反之亦然。

總結

在設計手機時，遵照如下的設計原則可顯著降低GSM RF噪聲：

1）在功率放大器芯片近鄰使用適當?shù)呐月泛腿ヱ铍娙荨?/p>

2）確保電池到功率放大器芯片的電源和接地直接連接，包括應盡量減少電源與敏感的模擬音頻信號造成的串音。

3）確保電池到功率放大器芯片的連接為低阻抗和低感抗，最好形成接地層和電源層，但這是很難實現(xiàn)的。超過50毫歐就會出現(xiàn)問題。

4）把到功率放大器芯片及主要音頻電路的接地和功率通孔減到最少。

5）如材料成本預算允許，在音頻器件 (如放大器和濾波器) 上采用旁路和去耦電容。

忽視這些基本原則可能會導致手機不能完全正常操作，而且只有在產品最終驗證時才會發(fā)現(xiàn)，以最大RF功率輸出運作時，手機自身就會出現(xiàn)GSM噪聲。在設計后期解決問題將導致必須在最后階段才變更設計，這樣做的風險很大，往往會延誤產品的上市。