蜂巢式无线手机噪声及解决方法.docx

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蜂巢式无线手机噪声及解决方法

在目前蜂巢式行动电话的设计中有一项十分艰巨，几乎是难以完成的任务，那就是必须要从许多杂乱无章的无用信号中筛选所需的信号，并且进行解调的动作，对于一个典型的蜂巢式无线通讯系统来说，实际信号的强度可能只有0.35μV---比邻近的噪声强度要低了100dB以上，为了把如此微弱的信号放大到便于解调的幅度，蜂巢式无线通讯系统通常需要采用大于80dB的高增益中频电路。

为了满足系统对误码率（BER,BitErrorRate）的要求，蜂巢式无线通讯系统首先必须得了解系统的电气噪声特性并采取相应的措施，众所周知，屏蔽和滤波是降低噪声的两种有效方法，但是却需要手机付出高昂的代价，包括热损耗增加、体积变大、重量增加、成本升高等，同时还会缩短电池的使用寿命，因此最好的办法是在系统设计的初期就对系统噪声的分怖频谱有清楚的了解，使得相关噪声对手机的RF性能不会造成影响或将影响降到最低，当然要想处理好蜂巢式手机中的噪声干扰首先必须要了解：

●噪声传播的路径

●噪声的最高敏感点

●噪声产生电路

蜂巢式电话 

由射频、数字与模拟电路所组成，数字式行动电话不管是在外观包装、人机接口或者是功率消耗考虑方面都称得上是现代科技发展的奇迹，图一以简化的方块图介绍了基本的系统架构，其中射频部分包括了滤波器、低噪声放大器、混频器、功率放大电路以及一个频率合成器，在IF收发级后则是一个连结到信号接收以及发送部份的混合式ASIC芯片。

图一、目前的行动电话为一个由射频（RF）、模拟与数字线路所组成的系统。

这个与包含数字信号处理器（DSP）与系统控制处理器之数字ASIC芯片搭配运作的混合式ASIC芯片内含对IF信号做调变与解调处理的数据转换器，而后级数位ASIC电路内的系统控制处理器则负责人机接口的管理以及行动电话中相当重要的智能式电源管理工作。

电源分配子系统，请见图二，则用来掌管电电池组的管理，在本例中为单一锂离子电池，以及手机各部分电路运作所需电压与电流的分配，锂离子电池中拥有保护线路以避免过电流或过压的破坏，行动电话系统中可能还会包括一个升压型交换式电源以提升电池电压以供应设频功率放大电路。

图二、交换式与线性稳压线路可以有效率地分配电源。

新一代的低电压ASIC芯片可以透过一个小型的降压型交换式电源，而系统的其它部份，如射频与模拟电路则可以由低压降线性稳压器供电，这些稳压器由处理器控制它们的导通或关闭以便将手机以配合不同类型无线通讯系统，例如GSMIS-95等不同的模式运作，配合上对电池中所余电量的精确认知，这个智能型的电源管理技术将能够将电池的使用时间做最大限度的延长。

噪声传播路径传导与辐射为噪声传播的两个主要途径，前者透过如导线、印刷电路板上的绕线、设备的金属外壳或机架以及电路中的组件，如电容等把噪声从一处传播至另一处，而后者则是藉由空气或其它电介质，如RF4板材等传播，传导噪声可以利用传统的电路技术加以滤除，而辐射噪声则可以透过适当的屏蔽将它降到最低。

当系统中的传导噪声遇到一个合适的天线时通常会转化形成辐射噪声，基本上我们知道传导噪声必须仰赖特定的导体，因此可以视需要透过滤波电路加以解决，然而辐射噪声却很难处理，因为它通常散布在整个系统当中，虽然可以透过外加的屏蔽与导电外罩等加以控制，但是如果噪声是透过PCB板的绕限或滤波线路散布时，那么前述的措施基本上就不能发挥任何的作用，因此最好的解决办法应该是将噪声限制在传导模式而不让它们转化成辐射噪声。

功率放大电路功率放大电路会因为由电源吸取较大的电流而产生噪声，以一个工作电压3.6V效率50%的功率放大电路而言，在将能量传送到天线的过程中功率损失高达3dB，而需要从单一锂离子电池吸取的电流则高达600mA~800mA，这个大电流在流经电池连接点、PCB铜线以及电源地在线的等效阻抗中会将在手机的电源在线产生噪声，这个问题对采用爆发式传输模式的GSM或IS-136TDMA标准的系统来说基本上是无可避免的现象，由于只将功率放大器启动一个短暂的时间，设备发送工作于突发模式则噪声问题就更加严重由于PA仅在短时间内开通突这个爆发脉冲将会对系统电源以及各部份子系统造成严重的瞬态干扰。

通常解决这个问题的方法是在爆发式传输系统上供应给功率放大器较高的电压，因此可以降低峰值电流、减小因而产生的噪声，并且得以使用较普通的功率放大技术而降低成本，但是为了要能够供给功率放大器的瞬间大电流还是需要特别的升压转换器，因此比较好的解决方法就是采用大电容来储存爆发模式所产生的能量，如此一来升压转换器只需在两次发送期间对储存能量的电容器充电，手机中传输部份的典型的工作有效周期比率大约为12%。

到目前射频部份的功率放大问题似乎已经得到解决，但是在直流—直流转换器的部份却还是需要注意，当它侦测到电容电压下降时尝试以最快的速度对它充电，因此会从电池吸取电流来完成这项充电的动作，从而带出了相同的电源噪声干扰问题，在图三中我们可以看到针对这个问题，采用大电容以供应GSM/TDMA传输电路设计的芯片。

图三、对IS136与GSM等以爆发模式运作的系统来说，电池上电压的大幅变动可以透过储能电容与升压转换器来加以降低。

图三中的MAX1687/1688就是针对GSM/TDMA功率放大电路爆发式工作模式而特别设计的升压式电源芯片，它可以由使用者选择采用定电流或固定时间算法对输出储能电容充电，因此系统的交换电源与储能电容就能协调一致工作以维持最有效率的功率转换，并将因供应功率放大电路电流造成的爆发脉冲对系统的干扰降到最低，为了能够进一步控制功率放大电路的噪声，这些芯片可以在爆发式传输动作时暂时关闭内部的交换式电源供应。

供率放大器的偏压控制除了以上的考虑之外，功率放大器对偏压值的变化也很敏感，我们知道GaAs-FET功率放大电路上的偏压控制了电流变化的大小，从而控制功率放大电路的放大率以及输出阻抗，因此偏压输入接脚为一个调幅输入，在GaAsPA上的噪声在射频输出信号上会以包络变动的型式出现，而将原本是低频的噪声引入射频范围，从而散布在整个系统并上并与有效信号一起通过手机天线发射出去。

GaAsPA采用空乏型MOSFET，它在源极与汲极上加上电压时会以最大的汲极电流导通，并且不需闸极偏压，如果要控制汲极电流的话则必须在闸极加上一个负电压，一个用来产生这个负闸极电压的方法是采用如MAX871等的反相充电泵，但输出的电压并未稳压，并且会含有因充电泵工作所产生的交换式噪声。

虽然我们可以采用被动式滤波器来减小噪声，但是由于体积太大因而不适合手机使用，而且由于输出电压不稳定将造成PA放大率与输出阻抗的变动使得输出阻抗线路无法匹配，从而降低PA效率，浪费系统能量，因此为了得到稳定的偏压，通常会在充电泵后增加一级运算放大器以便对基准电压源转相，请见图四，虽然这种办法可行并且拥有弹性，但还是无法得到体积最小的电路设计。

图四、由反相式充电帮浦、电压参考线路以及运作放大器可以组成GaAsPA所使用的高精度偏压线路。

目前业界用来产生PA偏电体积最小的方案为MAX881，它在一个10脚的小型μMAX封装中整合了反相充电泵和负电压整流线路，所有GaAsPA偏压所需的全部功能可以由这个小型的低耗电芯片提供，在正常工作时其输出噪声与涟波相当地小，约为~1mVpp，因此它不会在PA的RF输出上产生边带噪声，请见图五，此外MAX881还能检测是否出现负偏压，此时代表在PA的主电源加上时会对汲极电流加以控制，因此可以造成一个安全性的互锁效应以壁避免PA遭到意外的破坏。

图五、MAX881R的互锁功能可以保护GaAsPA，避免遭到破坏。

频率合成器在许多蜂巢式行动电话中第一本地振荡（LO）是由一个PLL频率合成器所产生，请见图六，对AMPS系统的行动电话来说，电压控制振荡器（VCO）必须调谐在880MHz附近，步阶为30kHz，范围为±12.5MHz，VCO实际输出频率会依第一IF而定，假设PLL电路的工作电压为3V，而整个25MHz的频率调谐为2V，则我们必须提供两个电压作为边界以确保PLL不会因为电压变换或温度漂移而出现饱和的现象。

图六、在频率合成器中有许多噪声容易发生的端点。

VCO的放大率为25MHz/2V或12.5MHz/V，如此高的放大率使得VCO对控制在线的噪声电压极为敏感，如果相位侦测线路与高放大率PLL之间分隔太远，那么就很容易会受到辐射噪声的干扰，因此我们需要采用屏蔽线来避免VCO不受干扰，除此之外，由其它路径所引入的噪声同样会对PLL中的VCO产生调制作用。

1通过包含相位侦测器的PLL芯片引入的电源噪声

2引入VCO的电源噪声

3传播到主动式积分器或环路滤波器输出端的电源噪声。

可以透过检测运算放大器的PSRR值的选择来去除影响

4晶体振荡器的噪声（TCXO/VCTCXO）

通常高Q值电路中的振荡信号应该要相当干凈并且没有噪声，但是由于过电源电压的电源噪声会提高振荡器的噪声位准，并且因为PLL会将存在于环路频宽内的噪声以PLL的比率（在AMPS手机中大约为30,000）放大，因此频率合成器对TCXO的噪声极为敏感.

5VCO输出负载阻抗变化所产生的噪声将会反应回VCO并对其运作频率产生牵引效应.

对于环路频宽能够保证噪声落在DC~500KHz范围内的系统，上述1~4所述的噪声干扰可以透过加上被动式滤波器来降低，而且频率合成器应该单独利用一个LDO供电以防止系统电源噪声的引入，对今日新型的的数字通讯系统来说，由电源波动调制所产生的相位噪声实在太大了，因为LDO虽然能够提供给频率合成器一个干凈的稳定输出电压，但它本身同时也在产生噪声。

本身也是噪声来源的LDO

图七、低压降线性稳压器提供了隔离与开关控制。

LDO稳压器是一个包含参考电压、误差放大器以及串联的调整晶体管的闭回路系统，并且由于它的运作特性而成为一个宽频的噪声源，请见图七，LDO中的电压参考线路与误差放大器都可能成为重大的噪声源，这些噪声经过系统放大率，通常在10Hz到1Mhz间为2到3倍，加以放大，使得LDOMAX8863的输出噪声电平为350μVrms，我们可以透过改进误差放大器的性能来降低噪声，或者在参考电压的参考误差被放大前先加上一级低通滤波器，请见图八。

图八、LDO稳压器的输出噪声可以透过在参考电压上加上电容予以降低。

图中的低噪声LDOMAX8877的参考电压输出特别有一个引出接脚，让我们可以加上电容将噪声旁路到地，以一个容值为0.01μF的旁路电容而言，可以将输出噪声在10Hz到100KHz的频带内的输出噪声减小到30μVrms，这个改进可以将900MHz时的PLL噪声降低10~20dB。

LDO除了上述作用之外还有隔离手机内各部份电路之间相互影响之用，在LDO的频带范围内，MAX8877在10kHz下对电源噪声的抑制为60dB，从占占用PCB板大小来考虑，得到这种抑制的代价并不大（MAX8877采用SOT23封装），因为如果采用拥有同样功效的被动式滤波电路，所需的组件体积要大得多，因此低噪声LDO相当适用于目前特别要求体积更小、价格更低的新型数字式行动电话上。

采用交换式电源来提升效率

交换式电源（SMPS）已经普遍被应用在现代的行动电话上，最新的SMPS组件提供了体积小、效率高、压差低、外部组件体积小以及噪声控制等优良特性和功能，以MAX1692为例，为一颗采用了PWM控制及同步整流技术的降压型转换器，转换效率大于90%，并拥有低噪声输出且可预测该噪声频谱的特性，以单一锂离子电池供电时（3V~4.2V）可以输出低达1.25V的电压以用来满足目前行动电话中大型ASIC芯片的供电要求。

为了控制来自高增益RF电路可能的干扰，例如IF级电路，MAX1692可通过其同步端引入外部晶控时脉500KHZ~1MHZ，例如TCXO产生的时脉信号来控制其切换频率，由于切换频率决定了外部组件体积的大小及噪声频谱的分布，因此高频运作对于交换式电源来说极为重要。

交换式电源产生的噪声频谱如图九所示，其中最低频率就是交换式电源的切换频率，又称为基波频率，从图中我们可以看出各阶谐波频率之间的频带宽度刚好等于基波频率，不过其它干扰，例如尖峰干扰产生的噪声频谱则难以预料，至于噪声功率谱如何分布则与时域波形电流大小电感电容取值以及PCB布线有关系。

图九、以800kHz频率运作的交换式电源的噪声频谱。

交换噪声可以被传导至交换电源的输入端、输出端、地线，还可通过电路板的铜线发射成为辐射干扰，因此必须使交换电源的涟波电压及传导噪声尽可能地小，因为即使通过增加滤波电路可将传导干扰减小，但它仍有可能转化为难以控制的辐射噪声而弥漫于整个系统当中。

SMPSPCB布局

图十、在大型SMPS中两个产生噪声的电流回路。

图十是一个典型的降压型交换式电源的原理图，之所以这样处理是为了便于解决其工作原理，然而十分不幸的是，一些PCB设计人员却以此为准而设计出有缺陷的PCB板，这个交换式电源的工作过程如下：

当功率开关S1闭合时电流从C1+流出流经开关S1和电感L1，接着进入C2，然后再从C2-经地线返回C1-，当S1断开时由于电感上的电流不能突变，电感两端迅速产生反向电动势并将D1导通，此时电流环路变为L1C2地线→D1L1，上述过程中的辐射噪声由于电流的产生而产生辐射噪声功率为：

PαI²（A²/λ4）,

其中P为辐射功率，A为电流环路PCB板面积，λ为波长

由上式可见波长频率一定时辐射功率将随环路面积及电流增加而变大，因此如果利用交换电源标准的电路原理图对PCB布局，由于电流环路面积大，必然使得交换电源产生的辐射噪声或传导噪声也大，其结果是为了减小该噪声不得不不断修改PCB布局而浪费许多时间。

因此为了保证设计成功，必须以占用最小的电路板尺寸为出发点对图十进行修改，使连接C1D1C2的地线尽可能地短，修改后的原理图如图十一所示，这样的布局从一开始就保证交换电源低噪声工作，假设你已有一个干凈最佳化的电路板布局，下一步就要检验切换工作频率以便确定好它与RF接收器的IF频率及IF频带的关系系，只要中频IF频宽低于交换开关电源的工作频率，那么就应该把中频放置于交换式电源某两个相邻谐波之间的静音频带，这样一来即使系统中仍然有交换电源噪声存在，它也不会对高增益的IF电路产生干扰，因为信号通过中频带通滤波器后交换电源产生的噪声可以被完全滤出，为了作出合适的选择或权衡这类噪声频谱的安排，我们应该在确定RF频率之初就以予考虑。

图十一、可以改善布局与噪声的修正SMPS线路。

为了处理好数字式蜂巢行动电话的噪声，设计人员首先需要了解噪声耦合的路径，也就是噪声是如何传导或辐射的，手机中哪部分电路对噪声敏感以及手机噪声是如何产生，然后再采取适当的措施，从前面的讨论我们可以知道，在GSM/TDMA系统中采用升压变换器和大电容可以把PA发射瞬间产生的噪声最小化，辐射噪声的强弱很大程度上由PCB板的布局好坏所决定，好的布局可以使你在噪声问题上设计一次成功，小型的LDO可作为主动式滤波器，如果其电压基准源输出旁路到地，则能够提供频率合成器所需要的噪声电平非常低的输出电压，最后如果把IF放置在交换电源相邻两次谐波之间的静音频带则可完全避免交换式电源谐波对IF信号的干扰误码率BER不会增加。

图十二、将IF置放在SMPS两个谐波之间可以避免干扰。