手机降噪方案和噪声产生机理

likunqiao

在蜂窝式移动电话的设计中有一项十分艰巨几乎难以完成的任务即需要从众多杂
乱无章的无用信号中对所需信号进行筛选并解调对于一个典型的蜂窝无线通讯系统有
用信号的幅度可能仅为0.35V---比邻近噪声幅度低100dB以上为了把如此微弱的信号放大
到便于解调的幅度常常需要采用大于80dB的高增益中频电路
为了满足系统对误码率BER 的要求必须首先了解系统的电气噪声并采取相应措
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-
--热损耗增加体积变大重量增加成本升高同时还使电池寿命缩短因此 最好的办
法是在系统设计初期就对系统噪声频谱了解清楚使得相关噪声对手机的RF性能没有影响
或影响最小当然要想处理好蜂窝手机中的噪声干扰首先要了解
!" 噪声传播机理
!" 噪声敏感点
!" 噪声产生电路
蜂窝电话
数字蜂窝电话包含射频电路数字电路及模拟电路它无论从包装体积重量
人机界面还是从节能方面考虑都称得上是现代科技发展的奇迹其基本构成见图1 其
中RF部分由滤波器低噪声放大器混频器以及功放和一个频率合成器构成在IF收发
级后面是一个混合模式的ASIC芯片
该ASIC芯片通常包含调制解调IF信号的数据转换器与后级数字ASIC电路包括DSP
及系统控制器协调一致地工作对人机界面管理及智能电源管理工作则由系统控制器完
成这些工作处理的好坏对手机操作来说至关重要的
电源分配子系统图2 完成对电池组的管理本例为单节Li+电池同时分配各种不
同电压电流给手机各部分电路为了防止电池损坏Li+电池必须有过流过压保护电路
该子系统可能还包括一个升压型开关电源主要给RF功放供电
新一代低电压ASIC芯片可通过一个小型降压型开关电源供电系统其它部分如RF电
路模拟电路等由于对噪声敏感需由几个LDO 低压差线性电源供电在系统控制
器控制下根据具体类型的无线通讯系统例如GSM IS-95等使其工作于所要求的状
态实现对各个电源变换器进行通断控制在对电池特性及充电技术充分了解的基础上
采用这种智能电源管理技术后电池寿命能够得到最大限度延长
蜂窝式无线手机噪声及其净化方法
噪声传播机理
噪声有两种传播方式传导和辐射前者通过导体例如一节导线一段印刷电路板
铜皮或一个平面设备金属外壳或机架以及电路中的元器件把噪声从一处传播至另一
处而后者则借助于空气或其它电介质例如RF4板材传播噪声传导噪声利用传统的
电路技术加以滤出辐射噪声则利用屏蔽方法将其最小化
当传导噪声遇到一个合适的天线通常会转化为辐射噪声由于通常知道传导噪
声存在于系统何处因此根据需要通过增加滤波电路就可以解决然而对辐射噪声却很
难办因为它通常弥漫于整个系统之中虽然可以通过外加屏蔽导电面罩控制系统的辐射
噪声但是这些措施通常没有必要采用因为如果PCB板设计合理再通过适当的滤波
可以把噪声限制在传导模式不让它们转化成辐射噪声当然这也是控制噪声的最理想
的方法
功放电路
手机RF功放噪声的产生是由于要从手机电源吸取大电流对于一个工作电压3.6V 效
率50%的PA 功放在把能量传送到天线过程中功率损失高达3dB 因此它可能需要从
单节Li+电池吸取的电流高达600mA~800mA 该电流在流经电池连接器PCB铜线以及电
源地线过程中将在整个手机的电源线上产生噪声如果考虑GSM或IS-136 TDMA标准设
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发工作模
式将对系统电源及其它分布式子系统造成严重的瞬态干扰
采用升压变换器提升PA的工作电压是一种常用方法由于峰值电流减小了因而产生
的噪声得以减小不仅如此它还使得一些常用的PA技术能够运用其中成本也由此降低
但是为了能够给PA提供所需的峰值电流还需要对常用的升压变换器加以改进一个
比较好的方案就是采用大电容储存提升的电能这样升压变换器以后只需在两次发送期
间给储能电容补充能量手机典型的发送占空比大约为12%
现在似乎RF功放的问题已经得到解决然而当我们对典型的升压变换器的工作原理仔
细分析后结果并非如此众所周知通常的升压变换器是一个典型的负反馈系统动态
响应很快当它检测到输出电压跌落会迅速从电池吸取电能补充给输出储能电容PA功
率越大它从电池吸取的电流也越大因此浪涌电流产生噪声干扰问题仍未解决而且由
于开关电源噪声的引入问题比未采用升压变换器之前还要严重因此常规升压电路在
此已不适用只有采用专门设计的电源芯片才能解决这类问题
蜂窝式无线手机噪声及其净化方法
图3中的MAX1687/1688就是针对GSM/TDMA功放突发工作模式而研制的升压电源芯片
它们采用恒流或固定时间算法对输出储能电容充电用户可根据实际情况设定参数这
样一来系统的开关电源和储能电容就能协调一致工作在保证高效变换的同时减小了浪
涌电流PA噪声也因此减小许多如果想进一步控制PA噪声通过改变ON端电平使之
在发射期停止工作就可把开关噪声减小到零
PA 偏置
除此之外PA对偏置电压的变化也很敏感我们知道改变砷化镓功放偏置电压就可
实现对其偏置电流控制从而改变PA输出增益输出阻抗因此偏置端相当于一个幅度
调制器的输入端PA偏置端的噪声反映到RF输出信号就是其包络变化这样一来低频噪
声被引入RF信号中它将分布于整个系统并与有用信号一起通过手机天线发射出去
砷化镓PA属耗尽型MOSFET 必须外加门极偏置电压而且必须为负压对漏极电流
控制不然漏极电流会一直处于最大电流状态利用电荷泵电源例如MAX871 可产生
该负电压但是由于泵电源输出并未稳压而且由于泵电源工作于开关模式因此其输出必
然含有大量的开关噪声
虽然可采用无源滤波器减小噪声但是由于体积大而被手机禁止采用另外由于输
出电压不稳定将造成PA增益及输出阻抗的改变使得输出阻抗网络不匹配从而降低PA效
率浪费了系统能量因此为了得到稳定干净的偏置电压通常会在泵电源后增加一
级运放对基准电压源逆变见图4 虽然这种办法可行但由于增加元件太多占用体
积大增加了设计人员压力
蜂窝式无线手机噪声及其净化方法
图5是产生PA偏置电压一种体积最小方案负电压发生器和负电压调节器被集成在一
个10脚 MAX封装之中GaAs PA偏置所需要得全部功能可由这个微型低功耗IC完成正
常工作时由于其输出噪声已经很小~1mVp~p 因此它不会在PA的RF输出产生边带
噪声另外MAX881R还能检测PA负偏置电压并通过其POK端通知CPU检测结果这样
可防止PA由于偶然因素而损坏也即MAX881R对PA增加了一级安全保护
频率合成器
在许多蜂窝电话中第一本振LO 是由一个PLL频率合成器产生图6 对于
AMPS蜂窝电话VCO必须调谐在880MHZ附近其调谐步长为30KHZ AMPS系统的信道
间隔调谐范围为±12.5MHZ VCO实际输出频率根据第一IF而定假设PLL电路工作
电压为3V 则对整个25MHZ的频率调谐必须在2V调谐电压控制电压内完成选择2V
是为了保证在某些瞬态响应及温度漂移时PLL不会饱和而留有余量
照此计算VCO的增益为25MHZ/2V或12.5MHZ/V 如此高的增益使得VCO对控制线
上的噪声电压极为敏感由于在高环路增益的锁相环PLL 电路中即使鉴相器与VCO
分隔得很开辐射噪声仍然会对其产生干扰因此为了使得VCO不受干扰需要采用屏
蔽线除此之外在PLL中其它支路引入的噪声同样会对VCO产生调制作用
蜂窝式无线手机噪声及其净化方法
1 通过包含鉴相器的PLL集成电路引入的电源噪声
2 VCO电源噪声
3 传播到有源积分器或环路滤波器输出端的电源噪声通过检测OP的PSRR 可对其
影响进行评估
4 晶体振荡器的噪声TCXO/VCTCXO 通常Q值很高的电路中振荡信号频谱很干
净没有噪声但是由于太多的电源噪声存在将使输出信号频谱中噪声成份增加
在环路带宽内输出噪声将按分频比被放大对于AMPS手机来说大约3万倍
因此频率合成器对TCXO的噪声极其敏感
5 VCO输出负载阻抗变化也将产生噪声输出阻抗变化将使VCO输出信号反射而产
生频率牵引效应
对于环路带宽能够保证噪声落在DC~500KHZ范围内的系统通过增加无源滤波器可
以减小上述1~4所述噪声干扰当然频率合成器应单独利用一个LDO供电以防止系统
电源噪声引入其中即便如此对于当今的数字通讯系统来说由于电源波动调制产生的
剩余的相位噪声仍旧太大了因为LDO虽然能够给频率合成器提供干净的稳定输出的电压
但同时它自己也在产生噪声
LDO也是噪声源
LDO是一个闭环控制系统它由电压基准源误差放大器以及串联的调整晶体管构
成见图7 由于固有的特性LDO也是一个宽带的噪声源LDO电压基准中包含丰富
的噪声成份而且经过OP后还会被放大因此LDO实际输出噪声应该在此基础上再乘以系
统闭环增益在10HZ~1MHZ带宽内放大倍数典型值介于2~3范围内结果使得LDO
MAX8863 的输出噪声电平为350Vrms 改进误差放大器的性能是降低噪声的一种办法
在电压基准与误差放大之间增加一级低通滤波器让噪声在达到误差放大器之前被抑制
十分有效见图8
图中的LDO MAX8877 的基准输出有一引出脚在此增加一个电容就可将其噪声
旁路到地一个容值为0.01f旁路电容就可使10HZ~900KHZ频带内的输出噪声减小到
30V 这将使PLL的噪声在900MHZ时降低10~20分贝性能大大改善
LDO除了上述作用外还有隔离作用即把可能相互影响的各部分电路供电分隔开来
例如MAX8877在LDO的频带范围内对电源变化的抑制比为60dB@10KHZ 如果从占用
PCB板面积大小考虑得到这种抑制代价不大MAX8877采用SOT23封装因为如果采
用无源器件虽然也能获得同样的功效但为了滤掉低频噪声其体积大得多所采用的元
件数目也多得多由于市场的需求现代数字式蜂窝移动电话体积越来越小成本越来越
蜂窝式无线手机噪声及其净化方法
低因而低噪声LDO很适合该应用场合
利用开关电源提高变换效率
开关电源在现代蜂窝电话中已占有一席之地由于工艺的改进及技术进步最近的集
成开关电源已具有体积小效率高压差低外部元件体积小以及噪声控制等优良特性和
功能以降压型集成开关电源MAX1692为例由于采用了PWM控制及同步整流技术其
转换效率大于90% 不仅如此它还是低噪声输出且可预测该噪声频谱单节Li+电池供
电时(3V~4.2V) 其输出电压还可调低到1.25V 以满足当今数字蜂窝电话中大型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
入外部晶控时钟500KHZ~1MHZ 例如TCXO产生的时钟__________信号控制其开关频率由于
开关频率决定了外部元件体积的大小及噪声频谱分布因此高频工作对于开关电源来说至
关重要
开关电源产生的噪声频谱如图9所示其中最低频率本图中为800KHZ 就是开关电
源的开关工作频率又称基波频率从图中可见各次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/布局都有关系
开关噪声既可被传导至开关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开关电源的纹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
于整个系统中
SMPS PCB布局
图10是一个典型的降压型开关电源的原理图之所以这样画仅仅为了便于理解其工作
原理然而十分不幸的是一些PCB设计人员却以之为准设计出有缺陷的PC B板该开关
蜂窝式无线手机噪声及其净化方法
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后进入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L1→C2→地线→D1→L1 上述过程中辐射噪
声由于电流的产生而产生辐射噪声功率为
P∝I2 A2/4
式中P为辐射功率A为电流环路PCB 板面积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
果利用开关电源标准的电路原理图图10 对PCB布局由于电流环路面积大必然使得
开关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布局时间也浪费了
所以为了保证设计成功必须以占用最小的板尺寸为出发点对图10进行修改使连
接C1 D1 C2的地线尽可能短修改后的原理图如图11所示这样布局之后从一开始就
保证开关电源低噪声工作假设你已有一个干净__________优化的电路板布局下一步就要检验开
关工作频率以便确定好它与RF接收器的IF频率及IF频带的关系只要中频IF 带宽低
于开关电源的工作频率就应该把中频放置于开关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开关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开关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应该在确定RF频率之初就以予考虑
总之为了处理好数字式蜂窝移动电话的噪声设计人员首先需要了解噪声耦合机理
即噪声是如何传导或辐射手机中哪部分电路对噪声敏感以及手机噪声是如何产生的然
后再采取适当的措施从前面的讨论知道1. 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2. 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3. 小型的LDO可作为有源
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4. 最后如果把IF放置在开关电源相邻两次谐波之间的静音频带则
可完全避免开关电源谐波对IF信号的干扰误码率BER 不会增加

hejun0570

[em01][em01][em01]