射頻收發(fā)芯片SMI7035的原理與應用

１　引言

WiMAX全稱World Interoperability for Microwave Access，即全球微波接入互操作性。WiMAX的另一個名字是IEEE802.16標準，或廣帶無線接入(Broadband Wireless Access，BWA)標準。它是一項無線城域網(wǎng)技術(shù)，是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標準。Sierra Monolithics公司推出的雙頻段單片收發(fā)器SMI7035，適用于面向BWA應用的低成本CPE（用戶終端設備），支持WiMAX產(chǎn)品。

2　芯片主要性能特點[1]

●工作頻帶范圍：3.3 ～3.8 GHz 或 2.3 ～2.7 GHz 。

●高接收靈敏度（-100 dBm），并且具有不小于75db的增益控制。

●發(fā)送器提供55dB的增益控制范圍。

●雙頻段轉(zhuǎn)換；

●集成兩個頻率合成器

小數(shù)分頻頻率合成器：頻率間隔為125 kHz，轉(zhuǎn)換時間小于90μs。

    整數(shù)分頻頻率合成器：頻率間隔為2 MHz，轉(zhuǎn)換時間小于90μs。

●通過串行接口（SPI）與控制微處理器的接口進行連接；可以靈活配置收發(fā)頻率等參數(shù)。

●電壓供電采用+5V 和+3.3 V。

●1.73瓦的低功耗設計。

●提供接收信號強度指示（RSSI）。

●采用48 pin QFN封裝，外形尺寸只有7×7mm。

3  芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SMI7035芯片主要分為接收機，發(fā)射機，接收信號強度指示電路，頻率合成器等幾個部分。

3.1 接收機部分

接收機采用二次變頻的外差式方案，首先，射頻信號由管腳RX_RF進入，通過低噪聲放大器，利用帶通濾波器濾波后，進入鏡頻抑制混頻器，與來自小數(shù)頻率合成器的本振信號混頻，得到高中頻信號（高中頻信號頻率等于接收信號頻率和本振頻率的差），由片外的聲表面波濾波器選出穩(wěn)定的456MHz高中頻信號，穩(wěn)定的高中頻信號進入第二個鏡頻抑制混頻器與來自整數(shù)分頻頻率合成器的本振信號混頻，由濾波器濾波后選出低中頻信號（頻帶為32～62 MHz，頻率間隔為2 MHz），經(jīng)過放大，濾波，自動增益控制，通過管腳RX_IF_P和RX_IF_N差分輸出[2]。

3.2 發(fā)射機部分

發(fā)送的數(shù)據(jù)由TX_IF_P和TX_IF_N兩引腳進入芯片,通過放大器后，進入鏡頻抑制混頻器與來自整數(shù)分頻頻率合成器的本振信號混頻，通過片外的聲表面波濾波器濾波后得到中頻信號，中頻信號進入片內(nèi)鏡頻抑制混頻器與來自小數(shù)分頻頻率合成器的本振信號混頻，得到發(fā)射信號，經(jīng)過增益控制，高功率放大器放大后的射頻信號最終被調(diào)制到3.3～3.8 GHz 或 2.3～2.7 GHz，由管腳TX_RF輸出到天線發(fā)射出去。

3.3 接收信號強度指示電路（RSSI）

接收信號強度指示器的輸出電壓是對中頻信號進行處理得到的直流電壓，其電壓大小和接收到的信號強弱成正比。RSSI信號可用作故障檢測、收發(fā)中的握手信號以及射頻通道的選擇信號。

3.4 頻率合成器

頻率合成器由整數(shù)分頻頻率合成器和小數(shù)分頻頻率合成器組成。

3.4.1整數(shù)分頻頻率合成器（基于電荷泵鎖相環(huán)）

圖1 整數(shù)分頻頻率合成器結(jié)構(gòu)

在鎖相環(huán)路輸入端無信號輸入時，壓控振蕩器按固有頻率運行，當環(huán)路輸入端有信號輸入時，鑒頻鑒相器對輸入信號的相位和壓控振蕩器輸出信號的相位進行比較，然后輸出一個代表兩信號相位差的誤差信號。鑒頻鑒相器輸出信號將控制電荷泵電路對環(huán)路低通濾波器充放電以形成對壓控振蕩器的控制電壓，該控制電壓與鑒相誤差成正比，從而迫使壓控振蕩器的相位(頻率)朝減小鑒相誤差的方向改變。最終當鎖相環(huán)鑒相輸出誤差為零時，就表示鎖相環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。此處的分頻器的分頻值是整數(shù)，所以叫整數(shù)分頻頻率合成器。整數(shù)分頻頻率合成器輸出信號的頻率一定是參考輸入信號頻率的整數(shù)倍，輸出信號之間的最小頻率間隔等于參考輸入信號的頻率，而這一點也正是整數(shù)頻率合成器的局限所在[3]。

3.4.2 ∑-△調(diào)制小數(shù)分頻鎖相頻率合成器[4-5]

圖2 小數(shù)分頻鎖相頻率合成器結(jié)構(gòu)

圖2中N代表分頻比的整數(shù)部分，F(xiàn)代表分頻比的小數(shù)部分。小數(shù)分頻頻率合成器的輸出信號頻率不必是參考信號頻率的整數(shù)倍，而可以是參考信號頻率的小數(shù)倍，輸出信號的最小頻率間隔由參考信號頻率和小數(shù)分頻頻率合成器的分辨位數(shù)決定。與整數(shù)頻率合成器相比,小數(shù)頻率合成器可以采用頻率較高的參考信號,從而獲得較大的系統(tǒng)環(huán)路帶寬和較小的調(diào)整時間,同時,也可以得到較高精度的輸出頻率；另一方面,理論上,保持輸出信號頻率不變的情況下,提高參考信號的頻率,可以有效地降低輸出信號的相位噪聲,而小數(shù)頻率合成器可以使用較高頻率的參考信號,因此,可以獲得更好的相位噪聲性能。在典型的小數(shù)分頻鎖相頻率合成器中，小數(shù)分頻比是通過在M個參考周期內(nèi)進行a次N分頻和b次N十1分頻來實現(xiàn)。通常采用相位累加器的溢出來控制程序分頻器的除N或除N+1工作模式，以實現(xiàn)小數(shù)分頻。

圖3 數(shù)字一階∑-△調(diào)制器結(jié)構(gòu)

∑-△調(diào)制技術(shù)來自高分辨率的A/D, D/A變換器中的過采樣轉(zhuǎn)換技術(shù)，其工作原理為:在對信號進行過采樣后，噪聲功率譜幅度降低，通過一個對輸入呈低通，對量化噪聲呈高通的噪聲整形器，將量化噪聲功率的絕大部分移到信號頻帶之外，從而可通過濾波有效地抑制噪聲。小數(shù)分頻頻率合成器中相位累加器的等效模型與數(shù)字一階∑-△調(diào)制器相比較，可以證明兩者的等效性，所以可用數(shù)字一階∑-△調(diào)制器代替相位累加器實現(xiàn)∑-△調(diào)制小數(shù)分頻鎖相頻率合成器。利用∑-△調(diào)制技術(shù)對傳統(tǒng)的小數(shù)分頻頻率合成器的量化誤差進行處理，把小數(shù)分頻器產(chǎn)生的相位雜散轉(zhuǎn)換為高通形相位噪聲，再利用環(huán)路低通濾波特性予以濾除，從而獲得任意小的頻率分辨率、極低的相位雜散。

４ 應用電路

圖4所示是芯片的應用電路。射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗（輸入/輸出為50Ω/200Ω），同時為芯片內(nèi)部的PA(功率放大器)及LNA（低噪聲放大器）提供直流偏置。

圖4  SMI7035典型應用連接圖

5  結(jié)論

SMI7035是一款性能優(yōu)良的射頻收發(fā)芯片，應用于WiMAX無線通信的頻帶部分，與WiMAX基帶處理芯片配合使用，可以實現(xiàn)WiMAX無線通信。

本文創(chuàng)新點： SMI7035采用的∑—△調(diào)制技術(shù)的小數(shù)頻率合成器， 解決了頻率分辨率和轉(zhuǎn)換時間的矛盾，并且可以獲得任意小的頻率分辨率、更好的相位噪聲性能。