占板面積僅為半平方英寸的UMTS 基站接收器

作者：凌力爾特公司高級(jí)模塊設(shè)計(jì)工程師 Douglas Stuetzle，模塊開發(fā)經(jīng)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(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：

*接收 (Rx) 頻率范圍：1920MHz 至 1980MHz
*RF 增益：15dB (最大值)
*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 (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)谏衔闹锌吹降哪菢樱@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?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(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 Schwarz SMA 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。