我們先來看看u-blox LEA-4S的引腳排列:
典型應用範例
u-blox 無源天線GPS版本參考外觀圖
GPS模塊電源供電的處理及其重要性
由於LEA-4S/4H/4S-1系列高感GPS,靈敏度實在是太高,甚至可以在弱信號環境接受到微弱的反射信號從而應用於惡劣環境導航,當然,u-blox有自己的一套GPS算法,可以在強信號濾除這些影響精度的干擾或反射信號,所以在弱信號環境,雖然能收到信號,但是這些信號往往包含反射及折身信號,往往飄移及誤差也會加大,但我們從現實出發,客戶在室內定位能夠收到一個精度不高但是可以定位的信號往往比普通GPS模塊不能收到任何信號感覺肯定要好!
電源處理方案
例如電源前面加上精工的3V LDO,LOD有兩個優勢,一個是可以提供給模塊一個穩定的電源,保證後部分模塊工作不會因爲電源電壓引起的變化而引起電源阻抗的變化,若電源電壓變化的同時將會導致電源的內阻穩定性劣變,也會影響到模塊性能的發揮,二來好的LDO可以濾除不純淨的前端信號,可以進行有效的降噪,雖然效率不及DC/DC,但我們認爲是有必要加入LDO的.
這樣做的原因
LDO的壓差越小,消耗的內部功率就會越小,而且有利於LDO本身的溫度控制,比較理想的是LDO前級是在4V左右輸入,後級3V輸出,模塊部分150mA已經足夠,但對於GPS模塊而言,一般情況下,在模塊冷啓動到模塊完全穩定工作時的功率消耗會是平時功耗的1.5-2倍左右的功耗.電源應該加上電感及電容阻成的多重濾波網絡,按照最高級別的RF標準設計.
GPS天線的選擇及使用
天線的選擇
無源天線推薦使用18*18*4以上級別(例如25*25*4的陶瓷天線效果在性能及體積方面往往爲表現最佳),我們發現，同種類型越大尺寸的天線往往更容易獲得高的靈敏度，例如軍用的GPS，爲了獲得最高級別的靈敏度效果，GPS天線的尺寸足有臉盆大小，真是叫人汗顏！不過發現目前最好的GPS天線類型仍屬於平板陶瓷天線，唯一遺憾的是它相對有些方向性及尺寸有些偏大，用超小尺寸貼片型無源天線的客戶要特別小心了，由於天線的信號過於微弱可能會導致整機靈敏度不高的問題！
要特別注意從天線端口到RF_IN的引腳之間的PCB連線高頻阻抗匹一定要進行50歐姆阻抗匹配,要特別注意高頻佈線原則,就是天線部分儘可以少受到其它無線RF的干擾.否則會極大的影響到整機的靈敏度,另外無源天線本身信號較弱,RF_IN端的天線輸入端走線需要儘量的短,否則會犧牲一定的靈敏度,在RF_IN附件的鋪地應該採取均勻的鋪地過孔包圍RF_IN的設計設計,以保證良好的屏蔽效果,過孔應加綠油以更加強屏蔽外界對其的干擾,在足夠空間的情況下可以對其進行金屬屏蔽罩處理.
無源天線由於會受到整外殼的影響會產生一定的頻率偏差,往往需要天線廠家進行相應的調校,以便達到最好的工作狀態,事實證明,在有效調整整機的無源天線的匹配情況下,可以最大限度的發揮出無源天線本身的靈敏度.無源或有源天線後部的PCB接地,則是越大越好,對靈敏度將會產生一定的影響,例如我們常用的車載GPS,往往是整個天線吸在車頂,而車頂相當於一個大的接地反射面,往往會取得非常好的靈敏度.
事實證明
無源天線後部不同的接地面積也反映了不同的靈敏度,自然是鋪地面積越大的板子,靈敏度越高,所以在一般情況下應該儘量增加天線後部PCB的鋪地面積,同時無源天線應該儘量擺放於後部PCB接地的正中央.天線部分引線應該儘量的避免靠近電源及模塊部分,例如以上的RF_IN腳的線路應該避免太近於GPSMODE5或是其它數字部分線路,否則會有部分干擾影響靈敏度!同時天線走線的外圍最好能進行細的密包地過孔設計,阻止其它雜波干擾.
有源天線由於陶瓷天線已經在外殼並已進行過調效匹配,所以使用相對簡單,並且由於有源天線內部有經過LNA的放大,即使RF_IN走線稍長,影響也比相對較小,適合於較高靈敏度的場合,對於實際製作將會降低相應的難度,而事實上,成功的無源天線跟有源天線的靈敏度是極爲接近的,如果靈敏度相差太大不能簡單的認爲無源天線靈敏度不夠,而只能說是無源天線要設計得棒實在是太難!
至於LNA,對LNA的選擇是非常嚴格的,除了放大倍數之外最主要還是噪聲係數,因爲在放大有效信號的同時會同內部噪音一起放大!如果噪音太大,會極大的影響到GPS靈敏度的發揮.不好的LNA對天線部分有極大的影響.所以各位天線廠家在選擇LNA的時候千萬不能因爲省MONEY而失去重要的參數性能.
友情提示
對於整機的設計而言,模塊接地與數字接地應該嚴格區分並單點接地,對於提高整機的性噪比有一定的影響,要特別注意RF_IN的影響,不要被有源高速器件如高速SD卡/CPU所幹擾,對於PMP或手機面言,背光燈所用的高壓LED驅動干擾最爲嚴重,要加強屏蔽,以減少對RF部分的影響,機器內部的各種各樣的電磁反射/折射會嚴重的影響機器的靈敏度,除了天線的選擇之外,良好的EMI處理是保證設計成功的關鍵之一.
爲什麼信噪比會極爲重要?
例如在你住在古老的村莊裏,晚上睡覺的時候能夠聽到1公里之外布穀鳥發出的"咕咕"的聲音,布穀鳥的聲音有多大呢?會跟我們人的喊話聲音是相差不大的,甚至於遠處青蛙的叫聲相信你一定是聽得清晰明瞭,以至於愛失眠的你半夜無法入睡.
反而言之,如果你站在大街上,如火車站,呼嘯的火車穿流不息,在這種情況下,恐怕就是有人跟你面對面10米大聲吼叫,你也無法知道他說話的內容,因爲他的聲音全被噪音給掩蓋了,我們無法分辯出來相應的內容.但青蛙的叫聲,或是布穀鳥的聲音或是人聲,簡單來說是基本相同的音量,爲什麼會出現這種情況,原因是在噪音太大的環境裏無效的噪聲將有效信號全給掩蓋掉了.反而言之,越是微弱的信號,越需要"掉在地上一根針也能聽到"的理想環境才能夠分辯,純靜純靜,再純靜,這就是GPS對信噪比要求極高的精髓,也是技術金含量最高原因之所在,所以你也能順暢理解爲什麼GPS模塊對電源及RF要求高的真正原因了,你也能夠準確理解低噪LNA價錢貴的原因了.
GPS模塊軟件算法處理的重要性
信號的真僞
例如,GPS同時收到兩個信號,一個來自於直接的天空衛星直接的信號,信號沒有經過任何處理,而另一個信號是經過反射折射之類的信號,信號質量已經劣化,導致誤差加大,GPS模塊需要提練相應的直接信號.如何辯別這些信號的不同這點是所有GPS廠商設計的祕密,也是頂級GPS與低檔GPS本質的區別,也是精度不同的真正原因所在,u-blox敢於從2001年開始認爲自己的模塊達到了2.5米的精度要求,與瑞士人與生俱來的精度運算及精密濾波處理是分不開的,u-blox的GPS基本上等同於瑞士的鐘表,卓而不凡,對精度及品質要求異常嚴格.
信號的取捨
GPS同時會收到很多的信號,例如同時收到9顆星,它會不會全部直接用於導航呢?答案是不會,它只會從其中挑選信號質量最好的四顆用於導航,它會把9顆星的信號全部進行四顆一組,四顆一組這樣的組合運算,然後挑選其中最完美的一組做爲最終採納的信號,這其中又牽涉到了一個組合算法的問題,究竟哪個算法是最完美的,哪種算法能夠讓精度達到最高?這點不僅要有良好的理論基礎,同時還要有長時間的觀察細緻的實踐,這又是GPS設計廠商的一個不公開的祕密武器了.
u-blox能夠精確的從這些組合當中挑選最好的真實信號進入後期處理,這些都是一般的GPS廠商無法做到的.
以上線路圖當中介紹的是典型最簡單的應用及部分GPS模塊的基本原理,上面的線路圖就是一個最簡單的UART電平輸出的GPS系統,或是可以跟PC用USB連接了.
LEA-4S/4H的USB連接接線圖
注意,如果是直接跟USB連接,還要注意電源部分的處理,推薦使用增加SII的S-1112B30M 3V LDO,80db的高紋波抵制率:LEA-4S USB接口線路圖
LEA-4S的有源天線供電電路兩例
