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(dá)到多高? 工藝技術(shù)仍然限定某些重要的功能部件必須采用特殊工藝來(lái)制造：在射頻(RF) 領(lǐng)域采用GaAs 和SiGe 工藝，高速ADC 采用細(xì)線CMOS 工藝，而高品質(zhì)因數(shù)(High-Q) 濾波器則無(wú)法采用半導(dǎo)體材料很好地實(shí)現(xiàn)。此外，市場(chǎng)對(duì)于提高集成度的需求并沒(méi)有停止。
考慮到上述問(wèn)題，凌力爾特決定采用系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP) 技術(shù)來(lái)開發(fā)占板面積約為1/2 平方英寸(僅剛剛超過(guò)3cm2) 的接收器。接收器的邊界處有50Ω RF輸入、50Ω LO 輸入、ADC 時(shí)鐘輸入及數(shù)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(shí)鐘發(fā)生，以及數(shù)字輸出的數(shù)字處理。在15mm x 22mm 封裝內(nèi)是一個(gè)采用SiGe 高頻組件、分立無(wú)源濾波和細(xì)線CMOS ADC 的信號(hào)鏈路。
本文將對(duì)LTM®9004 微型模塊(µModule®) 接收器(一款直接轉(zhuǎn)換接收器) 進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。
設(shè)計(jì)目標(biāo)
設(shè)計(jì)目標(biāo)是通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS) 上行鏈路頻分雙工(FDD) 系統(tǒng)，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(guī)范)。對(duì)于接收器而言，靈敏度是一個(gè)主要的考慮因素，輸入信噪比(SNR) 為-19.8dB/5MHz 時(shí)，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(shè)計(jì)分析：零IF 或直接轉(zhuǎn)換接收器
LTM9004 是一款采用了I/Q 解調(diào)器、基帶放大器和雙通道14 位125Msps ADC 的直接轉(zhuǎn)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(gè)0.2dB 的拐角，從而允許4 個(gè)WCDMA 載波。LTM9004 可與RF 前端一起使用，構(gòu)成一個(gè)完整的UMTS 頻段上行鏈路接收機(jī)。RF 前端由一個(gè)雙工器以及一個(gè)或多個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，在LTM9004 之前需要布設(shè)一個(gè)RF 可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)。這里給出了此類前端的典型性能示例：
l 接收(Rx) 頻率范圍：1920MHz 至1980MHz
l RF 增益：15dB (最大值)
l 自動(dòng)增益控制(AGC) 范圍：20dB
l 噪聲指數(shù)：1.6dB
l IIP2：+50dBm
l IIP3：0dBm
l P1dB：-9.5dBm
l 20MHz 時(shí)的抑制：2dB
l 發(fā)送(Tx) 頻段上的抑制：96dB
圖1：在LTM9004 微型模塊接收器中實(shí)現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)
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(jì)算出的系統(tǒng)靈敏度為-116.7dBm。
通常，此類接收器可受益于ADC 之后的某些數(shù)字化信號(hào)之DSP 濾波。在這種情況下，假設(shè)DSP 濾波器是一個(gè)具有α = 0.22 的64 抽頭RRC 低通濾波器。為了在出現(xiàn)同信道干擾信號(hào)的情況下工作，接收器在最大靈敏度下必須擁有足夠的動(dòng)態(tài)范圍。UMTS 規(guī)范要求最大同信道干擾為-73dBm。請(qǐng)注意，對(duì)一個(gè)具有10dB 峰值因數(shù)的已調(diào)制信號(hào)而言，在LTM9004 的IF 通帶之內(nèi)，-1dBFS 的輸入電平為-15.1dBm。在LTM9004 輸入端，這相當(dāng)于-53dBm，或者-2.6dBFS的數(shù)字化信號(hào)電平。
當(dāng)RF 自動(dòng)增益控制(AGC) 設(shè)定為最小增益時(shí)，接收器必須能從手機(jī)中解調(diào)出預(yù)計(jì)所需的最大信號(hào)。這種要求最終將LTM9004 必須提供的最大信號(hào)之大小設(shè)定在-1dBFS 或其以下。規(guī)范中所要求的最小路徑損耗為53dB，且假定手機(jī)的平均功率為+28dBm。那么在接收器輸入端，最大信號(hào)電平即為-25dBm。這等效于-14.6dBFS 的峰值。
UMTS 系統(tǒng)規(guī)范中詳細(xì)說(shuō)明了幾種阻斷信號(hào)。在存在此類信號(hào)的情況下只允許進(jìn)行規(guī)定了大小的減敏，靈敏度指標(biāo)為-115dBm。其中的第一種是一個(gè)相距5MHz的相鄰信道，其電平為-42dBm。數(shù)字化信號(hào)電平的峰值為-11.6dBFS。DSP 后處理將增加51dB 抑制，因此，這個(gè)信號(hào)在接收器輸入端相當(dāng)于一個(gè)-93dBm 的干擾信號(hào)。最終的靈敏度為-112.8dBm。
而且，接收器還必須與一個(gè)相隔≥10MHz 的-35dBm 干擾信道競(jìng)爭(zhēng)。μModule 接收器的IF 抑制將使這個(gè)干擾信道衰減至相當(dāng)于峰值為-6.6dBFS 的數(shù)字化信號(hào)電平。經(jīng)過(guò)DSP 后處理，其在接收器輸入端上相當(dāng)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(hào)，但這些帶外阻斷信號(hào)的電平與已經(jīng)討論過(guò)的帶內(nèi)阻斷信號(hào)相同。
在所有這些場(chǎng)合中，LTM9004 的-1dBFS 典型輸入電平均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最大預(yù)期信號(hào)電平。請(qǐng)注意，已調(diào)制信道的峰值因數(shù)將大約在10dB ~ 12dB，因此，在LTM9004 的輸出端上，其中最大的一個(gè)將達(dá)到約6.5dBFS 的峰值功率。
最大的阻斷信號(hào)是-15dBm 連續(xù)波(CW) 音調(diào)(超過(guò)接收頻段邊緣≥20MHz)。RF 前端將對(duì)這個(gè)音調(diào)提供37dB 抑制，因此，它出現(xiàn)在LTM9004 的輸入端時(shí)將為-32dBm。此時(shí)，這種電平值的信號(hào)仍然不允許降低基帶μModule 接收器的靈敏度。等效的數(shù)字化電平峰值僅為-41.6dBFS，因此對(duì)靈敏度沒(méi)有影響。
另一個(gè)不想要的干擾信號(hào)功率源來(lái)自發(fā)送器的泄漏。因?yàn)檫@是一種FDD 應(yīng)用，所以此處描述的接收器將與一個(gè)同時(shí)工作的發(fā)送器相耦合。該發(fā)送器的輸出電平假定為≤+38dBm，同時(shí)“發(fā)送至接收”的隔離為95dB。那么，在LTM9004 輸入端上出現(xiàn)的泄漏為-31.5dBm，相對(duì)于接收信號(hào)的偏移至少為130MHz。等效的數(shù)字化電平峰值僅為-76.6dBFS，因此不會(huì)降低靈敏度。
直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)的一個(gè)挑戰(zhàn)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(hào)進(jìn)入，這將引發(fā)基帶上的DC 失調(diào)或偽隨機(jī)噪聲。如果這種偽隨機(jī)噪聲接近接收器的噪聲電平，那么上面詳細(xì)討論過(guò)的那些阻斷信號(hào)將降低靈敏度。在這些阻斷信號(hào)存在的各種情況下，系統(tǒng)規(guī)范都允許靈敏度降低。按照系統(tǒng)規(guī)范的規(guī)定，-35dBm 阻斷通道可以使靈敏度降至-105dBm。如我們?cè)谏衔闹锌吹降哪菢?，這種阻斷信號(hào)在接收器輸入端上構(gòu)成了一個(gè)-15dBm 的干擾信號(hào)。LTM9004 輸入所產(chǎn)生的二階失真大約比熱噪聲低16dB，結(jié)果，預(yù)測(cè)的靈敏度為-116.6dBm。
-15dBm 的CW 阻斷信號(hào)還將導(dǎo)致二階分量；在這種情況下該分量是一個(gè)DC失調(diào)。DC 失調(diào)是不希望有的，因?yàn)樗鼫p小了A/D 轉(zhuǎn)換器能夠處理的最大信號(hào)。一種減輕DC 失調(diào)影響的可靠方法是，確?；鶐?mu;Module 接收器的二階線性度足夠高。在ADC 的輸入端，由于這一信號(hào)所產(chǎn)生的預(yù)測(cè)DC 失調(diào)<1mV。
請(qǐng)注意，系統(tǒng)規(guī)范中并不包括發(fā)送器泄漏。所以，因這一信號(hào)產(chǎn)生的靈敏度下降必須保持在最低限度。發(fā)送器的輸出電平假定為≤ +38dBm，與此同時(shí)，“發(fā)送至接收”隔離為95dB。LTM9004 中產(chǎn)生的二階失真導(dǎo)致的靈敏度損失將<0.1dB。
在規(guī)范中對(duì)于三階線性度僅有一個(gè)要求。這是在存在兩個(gè)干擾信號(hào)的情況下，靈敏度不得降至低于-115dBm。這兩個(gè)干擾信號(hào)是一個(gè)CW 音調(diào)和一個(gè)WCDMA 信道，它們的大小均為-48dBm。這些干擾信號(hào)均以-28dBm 的大小出現(xiàn)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(diào)分量將位于基帶上。此時(shí)這個(gè)分量仍然以偽隨機(jī)噪聲的形式出現(xiàn)，因而致使信噪比降低。LTM9004 中產(chǎn)生的三階失真比熱噪聲層大約低20dB，預(yù)計(jì)的靈敏度下降值<0.1dB。
測(cè)量性能
通過(guò)采用圖2 中示出的評(píng)估板，LTM9004-AC獲得了優(yōu)異的測(cè)試結(jié)果(如圖3 和4 所示)。測(cè)試裝置包括兩個(gè)用于RF 和LO 的Rohde & SchwarzSMA 100A 信號(hào)發(fā)生器以及一個(gè)用于ADC 時(shí)鐘和TTE 嵌入式濾波器的Rohde & Schwarz SMY 01 發(fā)生器。
圖2：設(shè)計(jì)一款完整接收器所需的外部電路極少
圖3：?jiǎn)我粽{(diào)FFT
圖4：基帶頻率響應(yīng)
采用5V 和3V 電源時(shí)，LTM9004-AC 的總功耗為1.83W。其AC 性能包括72dB/9.42MHz SNR 和66dB SFDR。
結(jié)論
LTM9004 不但擁有UMTS 基站應(yīng)用所需的高性能，而且還提供了對(duì)于緊湊型設(shè)計(jì)而言必不可少的小尺寸和高集成度。通過(guò)運(yùn)用SiP 技術(shù)，這款μModule 接收器可采用以最優(yōu)工藝(SiGe、CMOS) 制作的組件及無(wú)源濾波器元件。