半英寸 UMTS 基站接收器

在滿足宏蜂窩基站性能要求的前提下，能達(dá)到多高的集成度? 工藝技術(shù)仍然限定某些重要的功能部件必需運(yùn)用特殊的工藝來(lái)制造：在射頻 (RF) 領(lǐng)域采用 GaAs 和 SiGe、高速 ADC 采用細(xì)線 CMOS，而高品質(zhì)因數(shù)濾波器則無(wú)法使用半導(dǎo)體材料得以很好地實(shí)現(xiàn)。此外，市場(chǎng)還需要更高的密度。

考慮到上述問(wèn)題，我們決定用系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)占用約 1/2 平方英寸 (剛剛大于 3cm2) 面積的接收器。接收器的邊界是 50Ω RF 輸入、50Ω LO 輸入、ADC 時(shí)鐘輸入及數(shù)字 ADC 輸出。這留待增加 LNA 與 RF 濾波以用于輸入、LO 和時(shí)鐘發(fā)生、和數(shù)字輸出的數(shù)字處理。在 15mm x 22mm 封裝內(nèi)，是采用 SiGe 高頻組件的信號(hào)鏈路、分立式無(wú)源濾波和細(xì)線 CMOS ADC。

以下是對(duì)兩個(gè)微型模塊 (µModule®) 產(chǎn)品進(jìn)行的設(shè)計(jì)分析：一個(gè)是實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)換接收器的 LTM9004；另一個(gè)是實(shí)現(xiàn) IF 采樣接收器的 LTM9005。

設(shè)計(jì)目標(biāo)
    設(shè)計(jì)目標(biāo)是 UMTS 上行鏈路 FDD 系統(tǒng)，特別是處于工作頻段 I 的中等覆蓋區(qū)域基站 (詳見(jiàn) 3GPP TS25.104 V7.4.0 規(guī)范)。就接收器而言，靈敏度是一個(gè)主要的考慮因素，在輸入信噪比 (SNR) 為 -19.8dB/5MHz 時(shí)，要求為 ≤ -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 是一款直接轉(zhuǎn)換接收器，采用了 I/Q 解調(diào)器和基帶放大器以及雙 14 位、125Msps ADC，如圖 1 所示。LTM9004-AC 低通濾波器在 9.42MHz 處有一個(gè) 0.2dB 的轉(zhuǎn)角，從而允許 4 個(gè) WCDMA 載波。LTM9004 可與一個(gè) RF 前端一起使用，以構(gòu)成一個(gè)完整的 UMTS 頻帶上行鏈路接收器。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) 及陶瓷帶通濾波器組成。為了最大限度地降低增益和相位失衡，基帶鏈路采用了固定增益拓?fù)?，因此?LTM9004 之前需要一個(gè) RF 可變?cè)鲆娣糯笃?(VGA)。以下是此類前端的典型性能例子：

• 接收器頻率范圍： 1920 至 1980MHz
    • RF 增益：      最大值為 15dB
    • 自動(dòng)增益控制 (AGC) 范圍： 20dB 
    • 噪聲指數(shù)：     1.6dB
    • IIP2：    +50dBm
    • IIP3：    0dBm
    • P1dB：    -9.5dBm
    • 20MHz 時(shí)的抑制：   2dB
    • 發(fā)送器頻帶上的抑制：96dB

圖 1：在 LTM®9004 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 前端的有效噪聲貢獻(xiàn)，LTM9004 引起的最大可允許噪聲必須是 -142.2dBm/Hz。LTM9004 的典型輸入噪聲是 -148.3dBm/Hz，據(jù)此計(jì)算出的系統(tǒng)靈敏度為 -116.7dBm。

一般情況下，此類接收器可受益于 ADC 之后的數(shù)字化信號(hào)的某些 DSP 濾波。在該場(chǎng)合中，假設(shè) DSP 濾波器是一款具有 α = 0.22 的 64 抽頭 RRC 低通濾波器。為了在存在同通道干擾信號(hào)的情況下運(yùn)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)范所要求的最大同通道干擾源為 -73dBm。

請(qǐng)注意，就一個(gè)具 10dB 波峰因數(shù)的已調(diào)信號(hào)而言，在 LTM9004 IF 通帶內(nèi) -1dBFS 的輸入電平為 -15.1dBm。在 LTM9004 輸入端，這相當(dāng)于 -53dBm，或 -42.6dBFS 的數(shù)字化信號(hào)電平。

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)。這種要求最終設(shè)定了在或低于 -1dBFS 時(shí)，LTM9004必須提供的最大信號(hào)。規(guī)范中規(guī)定的最小通路損耗為 53dB，而且假定手機(jī)的平均功率為 +28dBm。那么在接收器輸入端，最大信號(hào)電平就是 -25dBm。這等效于 -14.6dBFS 的峰值。

UMTS 系統(tǒng)規(guī)范中詳細(xì)說(shuō)明幾種阻斷信號(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 的鄰近通道 (處于 -42dBm 的功率級(jí))。數(shù)字化信號(hào)電平峰值是 -11.6dBFS。DSP 后處理增加 51dB 抑制，因此在接收器輸入端，這個(gè)信號(hào)相當(dāng)于一個(gè) -93dBm 的干擾信號(hào)。結(jié)果靈敏度為 -112.8dBm。

接收器還必須與一個(gè)相隔 ≥ 10MHz 的 -35dBm 干擾通道相競(jìng)爭(zhēng)。微型模塊接收器的 IF 抑制將使這個(gè)干擾通道衰減至相當(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，該干擾通道在接收器輸入相當(dāng)于 -89.5dBm，結(jié)果靈敏度為 -109.2dBm。

還必須考慮到帶外阻斷信號(hào)，但是這些帶外阻斷信號(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，調(diào)制通道的波峰因數(shù)將大約在 10 至 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 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。在這里，這種電平值的信號(hào)仍然不得降低基帶微型模塊接收器的靈敏度。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)不想要的信號(hào)功率源是來(lái)自發(fā)送器的泄漏。因?yàn)檫@是一個(gè) FDD 應(yīng)用，所以這里描述的接收器將是與一個(gè)同時(shí)工作的發(fā)送器耦合的。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 輸入端出現(xiàn)的泄漏為 -31.5dBm，相對(duì)于接收信號(hào)偏移至少 130MHz。等效的數(shù)字化電平峰值僅為 -76.6dBFS，因此沒(méi)有降低靈敏度。

直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)的一個(gè)挑戰(zhàn)是二階線性度。二階線性度不夠?qū)⒃试S想要或不想要的任何信號(hào)，以引起基帶的 DC 偏移或偽隨機(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)存在的每種情況下，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)谏厦婵吹降哪菢?，這種阻斷信號(hào)在接收器輸入端構(gòu)成了一個(gè) -15dBm 的干擾信號(hào)。LTM9004 輸入端產(chǎn)生的二階失真大約比熱噪聲低 16dB，結(jié)果預(yù)測(cè)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 偏移。DC 偏移是不想要的，因?yàn)樗鼫p小了 A/D 轉(zhuǎn)換器能處理的最大信號(hào)。一種減輕 DC 偏移影響的可靠方法是，確?；鶐⑿湍K接收器的二階線性度足夠高。在 ADC 輸入端，由于這一信號(hào)而產(chǎn)生的預(yù)測(cè) DC 偏移 < 1mV。

請(qǐng)注意，發(fā)送器泄漏不包括在系統(tǒng)規(guī)范中，因此由于這一信號(hào)而產(chǎn)生的靈敏度下降必須保持到最小。發(fā)送器輸出電平假定為 ≤+38dBm，同時(shí)發(fā)送至接收的隔離為 95 dB。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) 3 階線性度僅有一個(gè)要求。這就是在兩個(gè)干擾信號(hào)存在的情況下，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)以及一個(gè) WCDMA 通道，每個(gè)的大小都是 -48dBm。這些干擾信號(hào)每個(gè)都以 -28dBm 的大小出現(xiàn)在 LTM9004 的輸入端。它們的頻率與想要的通道相隔 10MHz 和 20MHz，因此 3 階互調(diào)分量落在基帶上。這里，這個(gè)分量仍然以偽隨機(jī)噪聲形式出現(xiàn)，因此將使信噪比降低。LTM9004 中產(chǎn)生的 3 階失真大約比熱噪聲層低 20 dB，預(yù)測(cè)靈敏度降低 < 0.1 dB。

    設(shè)計(jì)分析 - 140MHz IF 采樣接收器
    LTM9005 是一款 IF 采樣接收器，采用了一個(gè)下變頻混頻器、IF 放大器以及一個(gè)可變衰減器、一個(gè)表面聲波 (SAW) 濾波器和一個(gè) 14 位、125Msps ADC，如圖 2 所示。LTM9005-AB SAW 濾波器的中心頻率為 140MHz，帶寬為 20MHz，允許 4 個(gè) WCDMA 載波。LTM9005-AB 可與一個(gè)如上所述的類似 RF 前端一起使用，以構(gòu)成一個(gè)完整的 UMTS 頻帶上行鏈路接收器。在這種情況下，一個(gè)合適的前端應(yīng)該有 14.5dB 的最大 RF 增益。

圖 2：在 LTM9005 微型模塊接收器中實(shí)現(xiàn)的 IF 采樣架構(gòu)

以下是 LTM9005-AB 的典型關(guān)鍵性能規(guī)范：

• -1dBFS 信號(hào)輸入： -17.8dBm
    • 輸入噪聲電平：    -158dBm/Hz
    • IIP3
   IF 內(nèi)有兩個(gè)音調(diào)：  +17.7dBm
   IF 外有兩個(gè)音調(diào)：  +19dBm
    • P1dB (IF 通帶外)： +8.8dBm
    • IF 通帶外抑制：    40dB

LTM9005-AB 的典型輸入噪聲為 -158dBm/Hz。考慮到 RF 前端噪聲，在最大 RF 增益時(shí)，預(yù)測(cè)系統(tǒng)靈敏度為 -122.2dBm。

UMTS 規(guī)范要求最大同通道干擾信號(hào)為 -73dBm。在接收器設(shè)定為最大增益時(shí)，到達(dá)微型模塊接收器輸入端的電平為 -58.5dBm。請(qǐng)注意，已調(diào)通道的波峰因數(shù)將在 10 至 12dB，因此這個(gè)信號(hào)在微型模塊接收器輸入端將達(dá)到約 -48.5dBm 的峰值功率。這在 ADC 輸入端相當(dāng)于 -31.7dBFS。

在 RF AGC 設(shè)定為最小增益、手機(jī)平均功率為 +28dBm 時(shí)，該規(guī)范中規(guī)定的最低通路損耗為 53dB。那么在接收器輸入端，最大信號(hào)電平就是 25dBm。這一條件限定了微型模塊接收器之前可設(shè)定的最大 RF 增益。假定 RF AGC 范圍為 20dB，那么在 LTM9005-AB 輸入端的信號(hào)電平就是 -30.5dBm?？紤]到波峰因數(shù)，那么在微型模塊接收器輸入端，這個(gè)信號(hào)將達(dá)到約 -20.5dBm 的峰值功率。這在 ADC 處相當(dāng)于 -3.7dBFS。

假定在阻斷信號(hào)存在的情況下，接收器設(shè)定為最大 RF 增益。靈敏度規(guī)范仍然為 -115dBm。請(qǐng)注意，一旦接收到的信號(hào)數(shù)字化了，那么其他帶通濾波將利用 DSP 來(lái)完成。假定這運(yùn)作有 20dB 的抑制因數(shù)。

在這些阻斷信號(hào)中，第一個(gè)是電平為 -52dBm 的相鄰?fù)ǖ雷钄嘈盘?hào)。該微型模塊接收器的 IF 抑制為 40dB，DSP 后處理另增加 20dB。因此在接收器輸入端，這信號(hào)相當(dāng)于 -114.5dBm 的干擾信號(hào)，數(shù)字化信號(hào)的電平為 -50.7dBFS。結(jié)果靈敏度為 -122.2dBm。

該接收器還必須與相隔 ≥ 10MHz 的 -40dBm 干擾通道相競(jìng)爭(zhēng)。這里，RF 前端仍然不提供對(duì)這個(gè)通道的抑制，但是微型模塊接收器的 IF 和 DSP 抑制將衰減該通道信號(hào)，使其在接收器輸入端的等效電平為 -102.5dBm。這相當(dāng)于 -38.7dBFS 的數(shù)字化信號(hào)電平，而且所產(chǎn)生的靈敏度為 -119.8dBm。

在所有這些情況下，LTM9005-AB 的 -1dBFS 典型輸入電平都遠(yuǎn)高于最大預(yù)期的阻斷信號(hào)電平。請(qǐng)注意，所產(chǎn)生的靈敏度全部在規(guī)范規(guī)定的 -115dBm 范圍之內(nèi)。

帶外阻斷信號(hào)也必須考慮，最大的是 -15dBm CW 音調(diào)，位于接收頻帶邊沿之外 ≥ 20MHz 之處。RF 前端將對(duì)這個(gè)音調(diào)提供約 37dB 抑制，而且 IF 濾波器將另提供 40dB 的衰減?？紤]到 DSP 抑制，那么這個(gè)音調(diào)的電平等于 -114.5dBm。那么所產(chǎn)生的靈敏度為 -122.2dBm，數(shù)字化信號(hào)電平為 -60.7dBFS。

發(fā)送器輸出電平假定為 ≤ +38dBm，發(fā)送至接收隔離為 95 dB?？紤]到 IF 和 DSP 抑制，那么在接收器輸入端的等效電平為 -119.5dBm 或 -55.7dBFS。結(jié)果靈敏度為 -122.2dBm，這也在規(guī)范規(guī)定的 -115dBm 范圍之內(nèi)。

就 3 階線性度而言，在兩個(gè)干擾信號(hào)存在的情況下，靈敏度不得降至低于 -115dBm。這些干擾信號(hào)是一個(gè) CW 音調(diào)和一個(gè) WCDMA 通道，每個(gè)的電平都為 -48dBm。這些干擾信號(hào)均以 -33.5dBm 的電平出現(xiàn)在 LTM9005-AB 的輸入端。它們的頻率與想要的通道相隔 10MHz 和 20MHz，因此 3 階互調(diào)分量落在 IF 通帶之內(nèi)。這里，這個(gè)分量仍然以偽隨機(jī)噪聲的形式出現(xiàn)。利用適合于通帶外音調(diào)的 IIP3，預(yù)測(cè) 3 階分量在 -131.1dBm 出現(xiàn)。這比噪聲電平大約低 30dB，而且對(duì)靈敏度沒(méi)有影響。

   結(jié)論
    LTM9004 和 LTM9005 展現(xiàn)了 UMTS 基站應(yīng)用所需的高性能，而且提供非常緊湊設(shè)計(jì)所需的較小尺寸和集成度 (參見(jiàn)圖 3)。通過(guò)運(yùn)用 SiP 技術(shù)，這些微型模塊接收器采用了以最佳工藝 (SiGe、CMOS) 制造的組件和無(wú)源濾波器組件。

 
圖 3：實(shí)際的演示板照片，該板最大限度地減少了所需的外部電路