全球定位系統(GPS)是由運行在6個地球軌道上的24顆衛星組成的導航系統，無論身在何處GPS都可以幫助用戶精確地確定所處的位置。GPS系統最初用在軍事上，20世紀80年代開始進入民用領域。自此以后，GPS作為一種求生和導航工具開始變得流行起來。制造商已將GPS接收器集成進各種便攜式電子產品中，這些產品通常具有諸如汽車或無線設備的移動連接能力。
手機是集成GPS功能的理想產品。將GPS接收器集成到手機可以實現同步GPS(S-GPS)應用，此時的GPS接收器是與不同頻段的無線通信系統(如PCS和蜂窩網絡)一起使用的。消費者希望具有GPS功能的手機能夠可靠地接收和放大衛星發射的信號，因為接收出錯將會導致位置信息的錯誤。遺憾的是，RF干擾信號通常會損害GPS信號的質量。
系統內部干擾
GPS接收器與其它無線移動通信發射器集成在同一線路板上使它很容易受系統內部信號干擾，從而降低了其靈敏度和線性度。當發射器處于發射模式時，部分發射信號會泄漏到GPS接收路徑上。接收器因此將面臨很高的總輸入功率，并可能導致接收器的后端電路飽和。這會導致接收器后端產生非線性信號，并使接收過程的信號產生錯誤。為了避免這種現象，需要阻止帶外發射信號進入GPS接收路徑。因此要求GPS接收路徑具有很好的帶外發射信號抑制能力。通過對干擾信號的抑制，可以防止GPS芯片組由于強大的干擾功率而出現過載，并能為接收信號提供線性放大。
確保接收器的靈敏度和線性
設計師一般會在GPS低噪聲放大器(LNA)兩端各放一個濾波器。在LNA前面的濾波器有助于抑制帶外信號，同時防止LNA進入飽和狀態。這個濾波器必須具有很低的插入損耗。應該避免在LNA之前放一個高插損的濾波器，因為這樣會增加系統的噪聲系數。根據Friis公式，系統總噪聲系數主要取決于第一級的噪聲系數或損耗。LNA后面的濾波器則可以用來進一步改善帶外抑制性能，以防止后級電路過載。
然而，圖2所示的噪聲計算中，即使LNA具備特別良好的噪聲系數(0.8dB)，但在其前面放置一個插入損耗低至0.5dB的前置濾波器則可降低級聯噪聲系數。只有當增益足夠高時，級聯噪聲系數才取決于第一級電路。第一級濾波器的負增益能夠使級聯噪聲系數降至1.35dB。因此，該解決方案有三個部件，包括兩個濾波器和一個LNA。
簡化的S-GPS設計
上述方案可簡化為只帶一個濾波器的解決方案，即把具有良好線性度的LNA作為第一級，把具有良好帶外抑制性能的濾波器作為第二級。本部分將詳細介紹適用作GPS接收器前端的“LNA-濾波器”模塊。其集成了低噪聲、高線性度的增強型假晶高電子遷移率晶體管(E-pHEMT)LNA和低插損的高帶外抑制的薄膜腔聲諧振器(FBAR)濾波器。這種組合可以形成兼具極好噪聲系數和良好線性度的前端。
E-pHEMT技術可以用來設計出高度線性的LNA；FBAR技術則用來設計高Q值的小型濾波器，使其具備非常陡峭的滾降或優秀的帶外抑制性能。集成了FBAR濾波器的LNA模塊能夠對蜂窩和PCS頻段信號提供足夠的抑制，并有助于提升并行或并發GPS(S-GPS)工作的接收器性能。
高線性度的“LNA-濾波器”模塊可以處理高輸入功率而不會壓縮接收信號。因此，只要GPS路徑與PCS/蜂窩路徑之間有足夠的隔離度，LNA模塊前面的濾波器就可以省略。沒有前端濾波器，系統的噪聲系數就取決于LNA，可低至0.8dB。這種實現方法極大地改善了接收器的靈敏度。
由于濾波器的帶寬較窄，將LNA和濾波器集成還能使模塊的輸入阻抗看起來更集中(在Smith圖上的阻抗擴散較小)。與沒有后置濾波器的分離式LNA相比，該方案使得天線和輸入LNA模塊之間的阻抗匹配更加容易。單芯片解決方案還能確保更可靠和更一致的接收器性能。
分析和討論
圖3給出了由于帶外干擾而對GPS信號進行增益壓縮測量所使用的測試設置。根據圖3表格所示的值設置PCS/蜂窩頻段信號的功率電平，以表示GPS路徑和PCS/蜂窩路徑之間的隔離范圍。1.575GHz GPS信號的輸入功率電平固定為-35dBm，而PCS/蜂窩功放的輸出功率為+24dBm。供應不同的輸入功率電平給LNA模塊(或GPS天線)輸入端可改變隔離電平。模塊輸入端干擾源產生的輸入功率部分可以用以下公式計算：
GPS天線輸入功率＝干擾信號功率電平－隔離度
例如，當GPS路徑和PCS/蜂窩路徑之間的隔離度為15dB時，GPS天線處干擾源的輸入功率電平經計算為+9dBm。GPS和(PCS/蜂窩)干擾信號通過功率組合器結合在一起。
在不同隔離電平時測得的GPS信號增益壓縮值如圖4所示。從測量結果看，為了避免GPS信號受到干擾信號功率的壓縮，GPS路徑和PCS/蜂窩路徑需要有40dB的隔離度。這意味著只要在GPS和PCS/蜂窩路徑之間存在40dB的隔離度，濾波器-LNA-濾波器解決方案就可以用這種LNA模塊替代。
參考圖1和圖3，當PCS功放輸出+24dBm的功率，GPS和PCS路徑之間的隔離度為40dB時，從干擾信號泄漏到GPS接收器芯片組的功率電平的計算公式為：
圖2：“濾波器-LNA-濾波器”模型GPS接收器的噪聲計算
圖3：帶外抑制性能的測量設置
GPS芯片組干擾功率電平＝PCS前端放大輸出功率－GPS和PCS路徑之間的隔離度－LNA模塊帶內抑制＝+24dBm－40dB－(54dBc－13dB)＝-57dBm
結論和實現
LNA模塊有效地阻止了PCS信號泄漏進GPS芯片組。當GPS路徑和PCS路徑之間的隔離度為40dB時，干擾功率可以低至-57dBm。通過合理的安排和設計，LNA模塊解決方案可以替代“濾波器-LNA-濾波器”解決方案，后者噪聲系數更高和架構更復雜，而這種單芯片組解決方案則可提供優良的系統噪聲系數和高線性度，同時還能提供極佳的帶外抑制。另外，該LNA模塊能在保持GPS接收器良好性能的同時，向設計師提供簡單、緊湊和低制造成本的解決方案。由于網絡匹配設計簡單，因此設計周期也較短。
為了達到40dB的隔離度，可以使用雙天線解決方案。通過雙天線解決方案，GPS信號可以具有一個獨立于PCS/蜂窩信號的路徑或鏈，從而達到40dB的隔離度。圖5給出的是雙天線設計的方框圖。
圖4：不同干擾頻帶天線隔離度下的GPS增益壓縮
圖5：最新的射頻IC增加了足夠多的邏輯，因此可認為是SoC
