让移动电话GSM噪声减至最少的技术

现今的GSM手机都利用大功率放大器在手机与基站之间获得最大的通信距离，这些大功率放大器的电流消耗大，并以频率相对较低的间歇模式 (burst mode) 运作，往往对手机的正常操作造成干扰，产生我们能听到的令人厌烦的持续嗡嗡声。这种噪声通常在手机靠近话筒或其它电子设备时会听到。本文将讨论这种现象产生的某些机理，并确定解决这一问题公认的可行解决方案。

现今手机的设计要求：

为配合市场的需求，现今的手机都采用紧凑的设计，因而使一些高灵敏度的电子组件相互之间靠得很近。这些电子组件不仅要求尺寸非常小，而且还不能干扰手机的正常工作或对邻近设备构成破坏。此外，现今的手机设计必须能在基站发送信号强度极小的情况下仍然正确无误地工作，也就是说，手机必须在最大功率水平下发送信号。

随着全球手机用户越来越多，为了扩大市场占有率，手机厂商要求手机设计周期缩短，而功能增多，所以手机设计人员常常不得不采用高组件密度的PCB布局。这样，走线设计的时间表受到很大的约束，即传统的走线和串扰检查可能受限，甚至跳过，只要原型手机能够工作就行了。原型机常常只需证明基本功能已经实现，可能并不包括整个RF (RF发送器) 功率输出测试，但往往正是这最后一步的演变过程导致了“GSM Buzz” (GSM噪音) 问题。

用户问题的描述：

用户是否发现，在会议室开会时，只要将手机靠近电话麦克风就会听到一种重复又刺耳的嗡嗡声？有时甚至手机并未在使用，但只要处于开机状态，都会听到这种干扰声。将手机远离麦克风，干扰就会减少。类似情况在GSM手机靠近AM或FM收音机时也会发生。手机设计人员常常将这种讨厌的重复嗡嗡声叫做“GSM Buzz”。这一问题完全出于手机本身，尤其是RF功率放大器芯片处于满功率输出水平时。

问题的技术阐明：

现今的手机均配备了足以向RF功率放大器芯片提供所需功率的高能效电池。这些功率放大器芯片输出大量的RF能量，频率范围为850/950 或800/1900 Mhz的 GSM频带，GSM发射功率为+33 dBm，调制脉冲间距为217 Hz。图1所示为GSM手机中常见的音信范围内之间歇脉冲谱内容。

图1：GSM间歇脉冲谱内容

RF能量的间歇脉冲如何产生音频噪声

217 Hz间歇脉冲从手机电池产生大量功率骤增。这些功率骤增的程度视乎功率放大器的效率而定，一般等于1到2安培。由于是大电流瞬变，因此只要借助很小的电阻和电感就能在整个手机中形成217 Hz的电压瞬变。图2所示为217 Hz RF功率瞬变所产生的典型电压瞬变。图2显示出音频芯片的功率。值得注意的是：电源轨和接地参考发生了偏移。在本例中，这表明电源和参考地接点存在阻抗。217 Hz方波包络 (wave envelope) 也可能包含完全落在音信频带内的谐波成分。

图2：典型的217 Hz功率瞬变

这种寄生电阻和电感在手机中许多地方都可找到。通常出现在电池本身内；或多层PCB的层间通孔处；或走线电阻，甚至在连接器上。图3所示为手机中出现寄生电阻和电感的典型部位。

图3：手机常见的高电阻和高电感位置

问题的解决方案

增加旁路和去耦电容

第一个最合理的解决方案是在功率放大器芯片附近添加旁路电容和去耦电容，然后在音频信道组件附近也增加旁路电容和去耦电容。重点最好先放在功率放大器上，添加这些电容然后重新测试。由于电流很大，添加在RF功率芯片附近的去耦电容也应该非常大。由于尺寸和成本的限制，电容的尺寸必须减小，这样电压偏移会大于正常值。此外，由于功率瞬变脉冲边沿变化速率会大大超过去耦电容的带宽，因此还应当采用旁路电容 (一般为.01 uF)，而这些电容必须靠近功率放大器芯片。另外，还可在电池上并联一个大的退耦电容，以减少电池内阻造成的电压瞬变，甚至可消除手机中的某个问题。然而，PCB和柔性电路造成的压降仍然存在，因此GSM buzz仍然有可能出现。

到达功率放大器芯片的路径

功率放大器芯片必须有很多低感抗和低阻抗的参考地和电源路径，这些路径从电池到每个连接点 (包括连接器、柔性电路、PCB和焊盘) 都必须一致。此外，还必须尽可能布最短走线，而且偏移要减到最小。理想的电源和接地走线应与功率放大器芯片构成平面。但由于空间有限，所以往往做不到。还有一点非常重要，不可将功率放大器芯片的电源线直接走在音频信道之上。经调制的功率轨很可能耦合到音频电路中，并被放大。

通孔

穿过通孔的不良电源和接地是造成GSM buzz问题的最主要成因。如果可能，尽量通过PCB、柔性电路和连接器来走线而避免使用通孔。如果非用不可，最好平行地成对用或四个一起用，并确保电源和接地都有足够的保护措施。有很多方法可以估算阻抗和感抗，而这也是设计的一部分。

隔离高阻抗点

普通的电阻测量技术一般都不够精确，无法发现手机电路中的高阻抗点。较昂贵的万用表 (multimeter) 采用一种能精确测量电阻的技术，即所谓四线测量。这种技术使用四根线以及万用表上称作源端 (source) 和感测端 (sense) 的四个接线端，从而有效地排除万用表引线的电阻，只留下被测电阻值。这种万用表用户手册通常会说明如何制作四线测量引线。

压降

可用基本的奥姆 (Ohm) 定律估算手机中可疑电路段的压降。已知瞬变电流可达1至2安培，那么可疑电路段的电阻只要有毫欧，就有可能同时在接地和电源通道上产生100mV压降。值得注意的是，有时压降可能出现在电源通道，而不出现在接地通道，反之亦然。

总结

在设计手机时，遵照如下的设计原则可显着降低GSM RF噪声：

1）在功率放大器芯片近邻使用适当的旁路和去耦电容。

2）确保电池到功率放大器芯片的电源和接地直接连接，包括应尽量减少电源与敏感的模拟音频信号造成的串音。

3）确保电池到功率放大器芯片的连接为低阻抗和低感抗，最好形成接地层和电源层，但这是很难实现的。超过50毫欧就会出现问题。

4）把到功率放大器芯片及主要音频电路的接地和功率通孔减到最少。

5）如材料成本预算允许，在音频器件 (如放大器和滤波器) 上采用旁路和去耦电容。

忽视这些基本原则可能会导致手机不能完全正常操作，而且只有在产品最终验证时才会发现，以最大RF功率输出运作时，手机自身就会出现GSM噪声。在设计后期解决问题将导致必须在最后阶段才变更设计，这样做的风险很大，往往会延误产品的上市。