在满足宏蜂窝基站性能要求的前提下,能达到多高的集成度? 工艺技术仍然限定某些重要的功能部件必需运用特殊的工艺来制造:在射频 (rf) 领域采用 gaas 和 sige、高速 adc 采用细线 cmos,而高品质因数滤波器则无法使用半导体材料得以很好地实现。此外,市场还需要更高的密度。
考虑到上述问题,我们决定用系统级封装 (sip) 技术来开发占用约 1/2 平方英寸 (刚刚大于 3cm2) 面积的接收器。接收器的边界是 50ω rf 输入、50ω lo 输入、adc 时钟输入及数字 adc 输出。这留待增加 lna 与 rf 滤波以用于输入、lo 和时钟发生、和数字输出的数字处理。在 15mm x 22mm 封装内,是采用 sige 高频组件的信号链路、分立式无源滤波和细线 cmos adc。
以下是对两个微型模块 (μmodule) 产品进行的设计分析:一个是实现直接转换接收器的 ltm9004;另一个是实现 if 采样接收器的 ltm9005。
设计目标
设计目标是 umts 上行链路 fdd 系统,特别是处于工作频段 i 的中等覆盖区域基站 (详见 3gpp ts25.104 v7.4.0 规范)。就接收器而言,灵敏度是一个主要的考虑因素,在输入信噪比 (snr) 为 -19.8db/5mhz 时,要求为 ≤ -111dbm。这意味着,接收器输入端的有效噪声层必须 ≤ -158.2dbm/hz。
设计分析 ─ 零 if 或直接转换接收器
ltm9004 是一款直接转换接收器,采用了 i/q 解调器和基带放大器以及双 14 位、125msps adc,如图 1 所示。ltm9004-ac 低通滤波器在 9.42mhz 处有一个 0.2db 的转角,从而允许 4 个 wcdma 载波。ltm9004 可与一个 rf 前端一起使用,以构成一个完整的 umts 频带上行链路接收器。rf 前端由一个双工器以及一个或多个低噪声放大器 (lna) 及陶瓷带通滤波器组成。为了最大限度地降低增益和相位失衡,基带链路采用了固定增益拓扑,因此在 ltm9004 之前需要一个 rf 可变增益放大器 (vga)。以下是此类前端的典型性能例子:
接收器频率范围: 1920 至 1980mhz
rf 增益: 最大值为 15db
自动增益控制 (agc) 范围: 20db
噪声指数: 1.6db
iip2: +50dbm
iip3: 0dbm
p1db: -9.5dbm
20mhz 时的抑制: 2db
发送器频带上的抑制: 96db
图 1:在 ltm 9004 微型模块接收器中实现的直接转换架构
offset adjust:偏移调节
dc offset control:dc 偏移控制
考虑到 rf 前端的有效噪声贡献,ltm9004 引起的最大可允许噪声必须是 -142.2dbm/hz。ltm9004 的典型输入噪声是 -148.3dbm/hz,据此计算出的系统灵敏度为 -116.7dbm。
一般情况下,此类接收器可受益于 adc 之后的数字化信号的某些 dsp 滤波。在该场合中,假设 dsp 滤波器是一款具有 α = 0.22 的 64 抽头 rrc 低通滤波器。为了在存在同通道干扰信号的情况下运作,接收器在最大灵敏度下必须拥有足够的动态范围。umts 规范所要求的最大同通道干扰源为 -73dbm。
请注意,就一个具 10db 波峰因数的已调信号而言,在 ltm9004 if 通带内 -1dbfs 的输入电平为 -15.1dbm。在 ltm9004 输入端,这相当于 -53dbm,或 -42.6dbfs 的数字化信号电平。
rf 自动增益控制 (agc) 设定为最小增益时,接收器必须能从手机中解调出 预计所需的最大信号。这种要求最终设定了在或低于 -1dbfs 时,ltm9004必须提供的最大信号。规范中规定的最小通路损耗为 53db,而且假定手机的平均功率为 +28dbm。那么在接收器输入端,最大信号电平就是 -25dbm。这等效于 -14.6dbfs 的峰值。
umts 系统规范中详细说明几种阻断信号。在存在此类信号的情况下只允许进行规定大小的减敏;灵敏度指标为 -115dbm。其中的第一种是一个相距 5mhz 的邻近通道 (处于 -42dbm 的功率级)。数字化信号电平峰值是 -11.6dbfs。dsp 后处理增加 51db 抑制,因此在接收器输入端,这个信号相当于一个 -93dbm 的干扰信号。结果灵敏度为 -112.8dbm。
接收器还必须与一个相隔 ≥ 10mhz 的 -35dbm 干扰通道相竞争。微型模块接收器的 if 抑制将使这个干扰通道衰减至相当于峰值为 -6.6dbfs 的数字化信号电平。经过 dsp 后处理,该干扰通道在接收器输入相当于 -89.5dbm,结果灵敏度为 -109.2dbm。
还必须考虑到带外阻断信号,但是这些带外阻断信号的电平与已经讨论过的带内阻断信号相同。
在所有这些场合中,ltm9004 的 -1dbfs 典型输入电平均远远高于最大预期信号电平。请注意,调制通道的波峰因数将大约在 10 至 12db,因此在 ltm9004 的输出端上,其中最大的一个将达到约 -6.5dbfs 的峰值功率。
最大的阻断信号是 -15dbm cw 音调 (超过接收频段边缘 ≥ 20mhz)。rf 前端将对这个音调提供 37db 抑制,因此它出现在 ltm9004 的输入端时将为 -32dbm。在这里,这种电平值的信号仍然不得降低基带微型模块接收器的灵敏度。等效的数字化电平峰值仅为 -41.6dbfs,因此对灵敏度没有影响。
另一个不想要的信号功率源是来自发送器的泄漏。因为这是一个 fdd 应用,所以这里描述的接收器将是与一个同时工作的发送器耦合的。该发送器的输出电平假定为 ≤ +38dbm,同时发送至接收的隔离为 95db。那么在 ltm9004 输入端出现的泄漏为 -31.5dbm,相对于接收信号偏移至少 130mhz。等效的数字化电平峰值仅为 -76.6dbfs,因此没有降低灵敏度。
直接转换架构的一个挑战是二阶线性度。二阶线性度不够将允许想要或不想要的任何信号,以引起基带的 dc 偏移或伪随机噪声。如果这种伪随机噪声接近接收器的噪声电平,那么上面详细讨论过的那些阻断信号将降低灵敏度。在这些阻断信号存在的每种情况下,系统规范都允许灵敏度降低。按照系统规范的规定,-35dbm 阻断通道可以使灵敏度降至 -105dbm。如我们在上面看到的那样,这种阻断信号在接收器输入端构成了一个 -15dbm 的干扰信号。ltm9004 输入端产生的二阶失真大约比热噪声低 16db,结果预测灵敏度为 -116.6dbm。
-15dbm 的 cw 阻断信号还将导致二阶分量,在这种情况下该分量是一个 dc 偏移。dc 偏移是不想要的,因为它减小了 a/d 转换器能处理的最大信号。一种减轻 dc 偏移影响的可靠方法是,确保基带微型模块接收器的二阶线性度足够高。在 adc 输入端,由于这一信号而产生的预测 dc 偏移 < 1mv。
请注意,发送器泄漏不包括在系统规范中,因此由于这一信号而产生的灵敏度下降必须保持到最小。发送器输出电平假定为 ≤+38dbm,同时发送至接收的隔离为 95 db。ltm9004 中产生的二阶失真导致的灵敏度损失将 <0.1db。
在规范中对 3 阶线性度仅有一个要求。这就是在两个干扰信号存在的情况下,灵敏度不得降至低于 -115dbm。这两个干扰信号是一个 cw 音调以及一个 wcdma 通道,每个的大小都是 -48dbm。这些干扰信号每个都以 -28dbm 的大小出现在 ltm9004 的输入端。它们的频率与想要的通道相隔 10mhz 和 20mhz,因此 3 阶互调分量落在基带上。这里,这个分量仍然以伪随机噪声形式出现,因此将使信噪比降低。ltm9004 中产生的 3 阶失真大约比热噪声层低 20 db,预测灵敏度降低 < 0.1 db。
设计分析 - 140mhz if 采样接收器
ltm9005 是一款 if 采样接收器,采用了一个下变频混频器、if 放大器以及一个可变衰减器、一个表面声波 (saw) 滤波器和一个 14 位、125msps adc,如图 2 所示。ltm9005-ab saw 滤波器的中心频率为 140mhz,带宽为 20mhz,允许 4 个 wcdma 载波。ltm9005-ab 可与一个如上所述的类似 rf 前端一起使用,以构成一个完整的 umts 频带上行链路接收器。在这种情况下,一个合适的前端应该有 14.5db 的最大 rf 增益。
图 2:在 ltm9005 微型模块接收器中实现的 if 采样架构
以下是 ltm9005-ab 的典型关键性能规范:
-1dbfs 信号输入: -17.8dbm
输入噪声电平: -158dbm/hz
iip3
if 内有两个音调: +17.7dbm
if 外有两个音调: +19dbm
p1db (if 通带外): +8.8dbm
if 通带外抑制: 40db
ltm9005-ab 的典型输入噪声为 -158dbm/hz。考虑到 rf 前端噪声,在最大 rf 增益时,预测系统灵敏度为 -122.2dbm。
umts 规范要求最大同通道干扰信号为 -73dbm。在接收器设定为最大增益时,到达微型模块接收器输入端的电平为 -58.5dbm。请注意,已调通道的波峰因数将在 10 至 12db,因此这个信号在微型模块接收器输入端将达到约 -48.5dbm 的峰值功率。这在 adc 输入端相当于 -31.7dbfs。
在 rf agc 设定为最小增益、手机平均功率为 +28dbm 时,该规范中规定的最低通路损耗为 53db。那么在接收器输入端,最大信号电平就是 25dbm。这一条件限定了微型模块接收器之前可设定的最大 rf 增益。假定 rf agc 范围为 20db,那么在 ltm9005-ab 输入端的信号电平就是 -30.5dbm。考虑到波峰因数,那么在微型模块接收器输入端,这个信号将达到约 -20.5dbm 的峰值功率。这在 adc 处相当于 -3.7dbfs。
假定在阻断信号存在的情况下,接收器设定为最大 rf 增益。灵敏度规范仍然为 -115dbm。请注意,一旦接收到的信号数字化了,那么其他带通滤波将利用 dsp 来完成。假定这运作有 20db 的抑制因数。
在这些阻断信号中,第一个是电平为 -52dbm 的相邻通道阻断信号。该微型模块接收器的 if 抑制为 40db,dsp 后处理另增加 20db。因此在接收器输入端,这信号相当于 -114.5dbm 的干扰信号,数字化信号的电平为 -50.7dbfs。结果灵敏度为 -122.2dbm。
该接收器还必须与相隔 ≥ 10mhz 的 -40dbm 干扰通道相竞争。这里,rf 前端仍然不提供对这个通道的抑制,但是微型模块接收器的 if 和 dsp 抑制将衰减该通道信号,使其在接收器输入端的等效电平为 -102.5dbm。这相当于 -38.7dbfs 的数字化信号电平,而且所产生的灵敏度为 -119.8dbm。
在所有这些情况下,ltm9005-ab 的 -1dbfs 典型输入电平都远高于最大预期的阻断信号电平。请注意,所产生的灵敏度全部在规范规定的 -115dbm 范围之内。
带外阻断信号也必须考虑,最大的是 -15dbm cw 音调,位于接收频带边沿之外 ≥ 20mhz 之处。rf 前端将对这个音调提供约 37db 抑制,而且 if 滤波器将另提供 40db 的衰减。考虑到 dsp 抑制,那么这个音调的电平等于 -114.5dbm。那么所产生的灵敏度为 -122.2dbm,数字化信号电平为 -60.7dbfs。
发送器输出电平假定为 ≤ +38dbm,发送至接收隔离为 95 db。考虑到 if 和 dsp 抑制,那么在接收器输入端的等效电平为 -119.5dbm 或 -55.7dbfs。结果灵敏度为 -122.2dbm,这也在规范规定的 -115dbm 范围之内。
就 3 阶线性度而言,在两个干扰信号存在的情况下,灵敏度不得降至低于 -115dbm。这些干扰信号是一个 cw 音调和一个 wcdma 通道,每个的电平都为 -48dbm。这些干扰信号均以 -33.5dbm 的电平出现在 ltm9005-ab 的输入端。它们的频率与想要的通道相隔 10mhz 和 20mhz,因此 3 阶互调分量落在 if 通带之内。这里,这个分量仍然以伪随机噪声的形式出现。利用适合于通带外音调的 iip3,预测 3 阶分量在 -131.1dbm 出现。这比噪声电平大约低 30db,而且对灵敏度没有影响。
结论
ltm9004 和 ltm9005 展现了 umts 基站应用所需的高性能,而且提供非常紧凑设计所需的较小尺寸和集成度 (参见图 3)。通过运用 sip 技术,这些微型模块接收器采用了以最佳工艺 (sige、cmos) 制造的组件和无源滤波器组件。
图 3:实际的演示板照片,该板最大限度地减少了所需的外部电路
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