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作者：凌力爾特公司高級模塊設計工程師 Douglas Stuetzle，模塊開發經理 Todd Nelson 在滿足宏蜂窩基站性能要求的前提之下，集成度究竟能夠達到多高? 工藝技術仍然限定某些重要的功能部件必須采用特殊工藝來制造：在射頻 (RF) 領域采用GaAs 和 SiGe 工藝，高速 ADC 采用細線 CMOS 工藝，而高品質因數 (High-Q) 濾波器則無法采用半導體材料很好地實現。此外，市場對于提高集成度的需求并沒有停止。 考慮到上述問題，凌力爾特決定采用系統級封裝 (SiP) 技術來開發占板面積約為 1/2 平方英寸 (僅剛剛超過 3cm2) 的接收器。接收器的邊界處有 50Ω RF輸入、50Ω LO 輸入、ADC 時鐘輸入及數字 ADC 輸出。該邊界留待增加低噪聲放大器 (LNA) 和 RF 濾波，用于輸入、LO 和時鐘發生，以及數字輸出的數字處理。在 15mm x 22mm 封裝內是一個采用 SiGe 高頻組件、分立無源濾波和細線 CMOS ADC 的信號鏈路。 本文將對 LTM®9004 微型模塊 (µModule) 接收器 (一款直接轉換接收器) 進行設計分析。 設計目標 設計目標是通用移動通信系統 (UMTS) 上行鏈路頻分雙工 (FDD) 系統，特別是處于工作頻段 I 的中等覆蓋范圍基站 (詳見 3GPP TS25.104 V7.4.0 規范)。對于接收器而言，靈敏度是一個主要的考慮因素，輸入信噪比 (SNR) 為 -19.8dB/5MHz 時，所要求的靈敏度 ≤-111dBm。這意味著接收器輸入端的有效噪聲層必須 ≤-158.2dBm/Hz。 設計分析：零 IF 或直接轉換接收器 LTM9004 是一款采用了 I/Q 解調器、基帶放大器和雙通道 14 位 125Msps ADC 的直接轉換接收器 (如圖1所示)。LTM9004-AC 低通濾波器在 9.42MHz頻率下具有一個 0.2dB 的拐角，從而允許 4 個 WCDMA 載波。LTM9004 可與RF 前端一起使用，構成一個完整的 UMTS 頻段上行鏈路接收機。RF 前端由一個雙工器以及一個或多個低噪聲放大器 (LNA) 和陶瓷帶通濾波器組成。為最大限度地減低增益和相位失衡，基帶鏈路采用了一種固定增益拓撲結構。因此，在 LTM9004 之前需要布設一個 RF 可變增益放大器 (VGA)。這里給出了此類前端的典型性能示例： * 接收 (Rx) 頻率范圍：1920MHz 至 1980MHz * RF 增益：15dB (最大值) * 自動增益控制 (AGC) 范圍：20dB * 噪聲指數：1.6dB * IIP2：+50dBm * IIP3：0dBm * P1dB：-9.5dBm * 20MHz 時的抑制：2dB * 發送 (Tx) 頻段上的抑制：96dB 
圖 1：在 LTM9004 微型模塊接收器中實現的直接轉換架構 考慮到 RF 前端的有效噪聲影響，由 LTM9004 所引起的最大可容許噪聲必須為 -142.2dBm/Hz。LTM9004 的典型輸入噪聲為 -148.3dBm/Hz，由此計算出的系統靈敏度為 -116.7dBm。 通常，此類接收器可受益于 ADC 之后的某些數字化信號之 DSP 濾波。在這種情況下，假設 DSP 濾波器是一個具有 α = 0.22 的 64 抽頭 RRC 低通濾波器。為了在出現同信道干擾信號的情況下工作，接收器在最大靈敏度下必須擁有足夠的動態范圍。UMTS 規范要求最大同信道干擾為 -73dBm。請注意，對一個具有 10dB 峰值因數的已調制信號而言，在 LTM9004 的 IF 通帶之內，-1dBFS 的輸入電平為 -15.1dBm。在 LTM9004 輸入端，這相當于 -53dBm，或者 -2.6dBFS的數字化信號電平。 當 RF 自動增益控制 (AGC) 設定為最小增益時，接收器必須能從手機中解調出預計所需的最大信號。這種要求最終將 LTM9004 必須提供的最大信號之大小設定在 -1dBFS 或其以下。規范中所要求的最小路徑損耗為 53dB，且假定手機的平均功率為 +28dBm。那么在接收器輸入端，最大信號電平即為 -25dBm。這等效于 -14.6dBFS 的峰值。 UMTS 系統規范中詳細說明了幾種阻斷信號。在存在此類信號的情況下只允許進行規定了大小的減敏，靈敏度指標為 -115dBm。其中的第一種是一個相距 5MHz的相鄰信道，其電平為 -42dBm。數字化信號電平的峰值為 -11.6dBFS。DSP 后處理將增加 51dB 抑制，因此，這個信號在接收器輸入端相當于一個 -93dBm 的干擾信號。最終的靈敏度為 -112.8dBm。 而且，接收器還必須與一個相隔 ≥10MHz 的 -35dBm 干擾信道競爭。μModule 接收器的 IF 抑制將使這個干擾信道衰減至相當于峰值為 -6.6dBFS 的數字化信號電平。經過 DSP 后處理，其在接收器輸入端上相當于 -89.5dBm，最終的靈敏度為 -109.2dBm。 另外，還必須考慮到帶外阻斷信號，但這些帶外阻斷信號的電平與已經討論過的帶內阻斷信號相同。 在所有這些場合中，LTM9004 的 -1dBFS 典型輸入電平均遠遠高于最大預期信號電平。請注意，已調制信道的峰值因數將大約在 10dB ~ 12dB，因此，在LTM9004 的輸出端上，其中最大的一個將達到約 6.5dBFS 的峰值功率。 最大的阻斷信號是 -15dBm 連續波 (CW) 音調 (超過接收頻段邊緣 ≥20MHz)。RF 前端將對這個音調提供 37dB 抑制，因此，它出現在 LTM9004 的輸入端時將為 -32dBm。此時，這種電平值的信號仍然不允許降低基帶 μModule 接收器的靈敏度。等效的數字化電平峰值僅為 -41.6dBFS，因此對靈敏度沒有影響。 另一個不想要的干擾信號功率源來自發送器的泄漏。因為這是一種 FDD 應用，所以此處描述的接收器將與一個同時工作的發送器相耦合。該發送器的輸出電平假定為 ≤+38dBm，同時“發送至接收”的隔離為 95dB。那么，在 LTM9004 輸入端上出現的泄漏為 -31.5dBm，相對于接收信號的偏移至少為 130MHz。等效的數字化電平峰值僅為 -76.6dBFS，因此不會降低靈敏度。 直接轉換架構的一個挑戰是二階線性度。二階線性度不理想將允許任何期望的或不期望的信號進入，這將引發基帶上的 DC 失調或偽隨機噪聲。如果這種偽隨機噪聲接近接收器的噪聲電平，那么上面詳細討論過的那些阻斷信號將降低靈敏度。在這些阻斷信號存在的各種情況下，系統規范都允許靈敏度降低。按照系統規范的規定，-35dBm 阻斷通道可以使靈敏度降至 -105dBm。如我們在上文中看到的那樣，這種阻斷信號在接收器輸入端上構成了一個 -15dBm 的干擾信號。LTM9004 輸入所產生的二階失真大約比熱噪聲低 16dB，結果，預測的靈敏度為 -116.6dBm。 -15dBm 的 CW 阻斷信號還將導致二階分量；在這種情況下該分量是一個 DC 失調。DC 失調是不希望有的，因為它減小了 A/D 轉換器能夠處理的最大信號。一種減輕 DC 失調影響的可靠方法是，確保基帶 μModule 接收器的二階線性度足夠高。在 ADC 的輸入端，由于這一信號所產生的預測 DC 失調 <1mV。 請注意，系統規范中并不包括發送器泄漏。所以，因這一信號產生的靈敏度下降必須保持在最低限度。發送器的輸出電平假定為 ≤ +38dBm，與此同時，“發送至接收”隔離為 95dB。LTM9004 中產生的二階失真導致的靈敏度損失將 <0.1dB。 在規范中對于三階線性度僅有一個要求。這是在存在兩個干擾信號的情況下，靈敏度不得降至低于 -115dBm。這兩個干擾信號是一個 CW 音調和一個 WCDMA 信道，它們的大小均為 -48dBm。這些干擾信號均以 -28dBm 的大小出現在 LTM9004 的輸入端。它們的頻率與期望的信道相隔 10MHz 和 20MHz，因此，三階互調分量將位于基帶上。此時這個分量仍然以偽隨機噪聲的形式出現，因而致使信噪比降低。LTM9004 中產生的三階失真比熱噪聲層大約低 20dB，預計的靈敏度下降值 <0.1dB。 測量性能 通過采用圖 2 中示出的評估板，LTM9004-AC 獲得了優異的測試結果 (如圖 3 和 4 所示)。測試裝置包括兩個用于 RF 和 LO 的 Rohde & Schwarz SMA 100A 信號發生器以及一個用于 ADC 時鐘和 TTE 嵌入式濾波器的 Rohde & Schwarz SMY 01 發生器。
圖 2：設計一款完整接收器所需的外部電路極少
圖 3：單音調 FFT
圖 4：基帶頻率響應 采用 5V 和 3V 電源時，LTM9004-AC 的總功耗為 1.83W。其 AC 性能包括 72dB/9.42MHz SNR 和 66dB SFDR。 結論 LTM9004 不但擁有 UMTS 基站應用所需的高性能，而且還提供了對于緊湊型設計而言必不可少的小尺寸和高集成度。通過運用 SiP 技術，這款 μModule 接收器可采用以最優工藝 (SiGe、CMOS) 制作的組件及無源濾波器元件。 |
