当我们在路上时，不管是走路或开车，常会发现从GPS接收器接收到的卫星讯号强度会有不同的变化；同时，在某些区域，会由于不明原因发生完全丧失讯号的情况。这类的讯号强度降低可能会因为在大楼林立的市区中、建筑物内、或什至在浓荫的大树下，导致讯号的衰减和封锁，但也有可能是由非预期（unintentional）干扰（jamming ）所造成─我们每天常用的电子与电器用品都会产生许多杂讯，足以遮蔽卫星讯号。这些干扰讯号甚至也可能来自常用的电池供电消费性产品，如可携式音乐播放器、行动电话，以及汽车电子。

为确保GPS系统提供最佳的功能性，所有想要在消费性装置中嵌入GPS功能的设计工程师，除了要遵循正确的工程范例之外，更要选用专门设计用来降低干扰效应的元件。选用适当的天线当然是要点之一，但是工程师同时也应该了解，每个GPS接收器晶片组的抗干扰性能会有很大的差异性。为了协助工程师评估并选用正确元件，本文将首先以多个面向检视干扰效应，然后说明如何使用专属技术所提供的抗干扰功能，并得到与其它传统GPS接收器相较更优异的效能。

极弱讯号的撷取

任何一个GPS接收器都会有干扰问题的原因之一是因为来自卫星的讯号非常微弱。卫星传输的功率输出大约是30 W，高度为离地表2万公里。只需想像一下，当一个灯泡的光线在行走了这么长的一段距离后，还会有多少的强度，就可以知道此卫星讯号的强度了！事实上，一个在开放空间（open sky）室外撷取到的典型讯号，其范围大概是-120 dBm (1 x 10-15W)，而在一般的居住建筑物中移动时，大概还要加上20或30 dBm的衰减。由于讯号如此微弱,因此其他与GPS拥有同样频带的讯号,不需要很强,就可以覆盖掉此卫星讯号。

非预期性干扰

如上所述，此类非预期干扰来自于常用的商业化电子用品。工程师可能会预期，针对某些消费性电子产品，像是FCC、CE与其他的机构会规范其对GPS系统的干扰程度。但很不幸的，情况并非如此。首先，这些规范并没有涵盖频率高于1 GHz的讯号，而GPS的载波讯号频率为1.575 GHz。其次，这些规范允许-60至 -80 dBm范围的发射源（emission），这比GPS讯号的强度高出好几个数量级。

由于环绕在GPS系统周围的真实电子世界并未完全考虑到这些影响，因此，GPS接收器必须能够处理这些非预期的干扰。这些干扰讯号的来源通常来自几乎每个电子产品都有的时脉电路或切换式电源供应，甚至其显示器中的驱动器电路和扫描频率，也都可能会产生干扰。举例来说，PDA会透过其WLAN埠或蓝牙介面在萤幕上产生杂讯。行动电视也会产生很大的干扰。此外，在汽车内，也有很大的可能会产生干扰，不只是来自电子引擎控制，也会来自于电子仪表板和娱乐系统。

干扰源难以隔离

如果工程师想要很快的知道这类干扰的情况，很简单，只要拿任何一台GPS接收器并把它放在桌上型电脑或笔记型电脑的萤幕旁边，你就可以立即看到来自不同卫星的卫星讯号强度降低的现象，甚至有时候会有丧失卫星锁定的情况产生。

尤其是，通常要隔离这样的非预期干扰根源是很困难的。在一个著名的案例中[1]，整个旧金山南部的Moss Landing港口都受到干扰，即使是在出海1公里的位置，也完全无法收到GPS讯号。透过定向天线的协助以及关闭每艘船的陆地电源（shore power），才终于找到真正的发射干扰源：一艘游艇上有内建前置放大器的商用VHF/UHF电视天线，此天线在电视关闭时，仍然会继续运作。即使此电视天线是放在储藏柜中，但它的发射源还是会强到对商用渔船和游艇造成严重的影响。

消除干扰的措施

我们无法消除所有的这些非预期干扰讯号，因此只好想办法与它们和平相处。 GPS设备与晶片组的制造商则采取不同的方式来试图消除这些干扰讯号。举例来说，第一项采取的减缓措施，几乎每个GPS接收器都会放置一或两个的SAW（surface-acoustic wave表面声波）滤波器在讯号链中，以消除频带外的讯号如(图一)。接下来，有些制造商，如u-blox，会放置一个低通去交叠滤波器（lowpass anti-aliasing filter）在RF晶片中，以去除在A/D转换器的数位化过程中，可能产生的杂讯（ghost）。此外，再放置一个高通滤波器（highpass filter）在A/D之后，以消除可能来自于数据转换的DC元件，同时去除在CMOS电路中固有的闪烁（flicker）杂讯。

《图一 这是一个以ublox 5技术为基础的简化GPS接收器方块图。其中，在讯号输入端的SAW滤波器可阻挡频带外的干扰，再加上软件控制的数字滤波器组可除去特定的干扰源。》

使用数位滤波器

然而，频带内的干扰讯号仍然是一个需要处理的问题。每个GPS接收器都有自己的特定方式，例如u-blox公司的u?blox 5就采取了一些特别的技术。首先，从LNA来的类比讯号被数位化为5位元解析度的讯号，（这提供了30 dB的动态范围），与其它的接收器做法不同，它们通常只数位化为1、1.5、或2位元的解析度，（其动态范围最高为10 dB）。拥有此额外的动态范围，u?blox 5便能够采用基于一组晶片上数位滤波器的专有滤波方式，透过软体控制方式来变更其配置。

追踪正确的讯号

特别是，此技术涵盖了整个GPS接收器频带，来搜寻最强讯号峰值，并执行统计分析来决定每个搜寻到的讯号是否为卫星讯号。当找到干扰讯号时，此方法会将其置于一清单上，接着便把它予以消除。最后，如​​果有讯号无法以此方法消除，此技术会建立一阈值表，如果有实际的GPS讯号衰减至此阈值以下，此侦测演算法会非常谨慎的运用此讯号，以免接收器追踪到错误的讯号。

此特殊的干扰消除方法需要相当大的处理能力，而u?blox 5采用了ARM处理器。在此处理器的控制下，结合了硬体与软体的专有技术能够降低30 dB的干扰讯号。为更清楚看到这个结果，请见(图二)，其中两条曲线显示了u?blox 5和传统接收器的效能比较。此曲线显示，若要在接收器输出端讯号产生3 dB的衰减（3-dB 敏化（sensitization）点），所需的干扰功率大小；同时，此曲线也显示了GPS载波讯号在+/- 40 MHz左右的结果。例如，直接在载波上，只需要-110 dBm的干扰讯号，就可使采用传统方式的接收器讯号衰减3 dB，然而u?blox 5能够在达到3-dB敏化点之前，处理强度多25 dBm的干扰讯号。

《图二 直接在GPS载波频率上量测，只需要-110 dBm的干扰讯号，就可使采用传统方式的接收器讯号衰减3 dB（橘线），然而ublox 5能够在达到3-dB敏化点之前，处理强度多25 dBm的干扰讯号（蓝线）。》

现场测试结果

现在，让我们更进一步说明此dBm在实际现场对GPS接收器干扰讯号效能的影响。 (图三)显示了采用传统方式(图左)以及u?blox 5技术(图右)，在受到可能是干扰讯号的不同杂讯影响时的实验结果。当杂讯为+10 dB时，u?blox 5可接收到来自更多卫星的讯号。此外，平面图上的大点显示出，这两个系统，每次它们读取位置时，其结果大致是相同的。这意味着，读取结果应该是正确的。但随着讯号强度增加到+20 dB，采用传统方式接收到的卫星讯号强度便开始衰减，因此GPS接收器每次计算出来的位置都不太一样，如各个位置点所示。

相反地​​，u?blox 5持续以最强的讯号强度读取到大部分的卫星，并提供相同的位置结果。当更高的杂讯强度使得传统的GPS技术无法读到任何的卫星时，u?blox 5仍能持续维持位置的准确性。只有当杂讯强度高过40 dB时，会使读到的卫星数开始下降，而让位置产生变异，但系统仍是继续在运作。

《图三a 受到单一频率、频带内干扰讯号时，采用传统技术(图左)与ublox 5技术(图右)的现场测试比较。上图每个屏幕显示的是GPS卫星的讯号强度，以下的点则为几个计算位置的追踪结果。随着干扰讯号增加，不同技术能追踪到的卫星数量以及讯号强度亦随之减少。》

《图三b》

《图三c》

《图三d》

结论

GPS系统设计人员应考虑产品会被使用的地点、有可能遇到的杂讯类型、非预期干扰的效应，以及应选用哪一种最有效的干扰消除技术，才能为使用者带来更佳的效益。如同本文中所显示的数据结果，GPS接收器中所建置的创新干扰消除技术，能够在杂讯环境中，大幅提升GPS灵敏度与准确性。

参考资料

[1]“一个海岸港口的GPS干扰排除”，GPS World，2003年1月1日。

--作者Andreas Thiel为u-blox公司创办人暨执行副总裁，Michael Ammann为嵌入式软体开发副总裁。 --