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蜂窩基站中的模擬技術(shù)發(fā)展趨勢

作者:德州儀器公司 James Karki 時間:2004-11-19 來源:電子設計應用2004年第10期 收藏

目前,移動計算與通信設備已很普遍,數(shù)字電子技術(shù)正是支持這一發(fā)展的驅(qū)動力,不過模擬電子技術(shù)發(fā)展也同樣重要,二者缺一不可。
在蜂窩基站中,數(shù)字電子技術(shù)執(zhí)行許多復雜的功能,通常在軟件與固件控制下工作。而收發(fā)信號則需要模擬電子技術(shù),ADC和DAC是二者聯(lián)系的紐帶。圖 1 顯示了發(fā)送與接收架構(gòu)以及目前常用的相關半導體工藝。
發(fā)送側(cè)架構(gòu)的基本功能是通過在 DSP或 ASIC中運行“程序”生成數(shù)字信號,隨后信號由DUC(數(shù)字上變頻器)進一步處理,再通過 DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號,然后經(jīng)過混頻、濾波與放大,并通過天線發(fā)送。
接收側(cè)的過程恰恰相反。天線接收的模擬信號通過模擬電子設備放大、混頻并濾波,經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后依次經(jīng)過DDC(數(shù)字下變頻器)專用電子設備、ASIC 或 DSP 處理。
許多蜂窩基站制造商都力圖增強系統(tǒng)性能并降低尺寸與成本。目前有兩種方法實現(xiàn):一是PA(功率放大器)的線性化,二是電子設備的集成。手機(手持終端)已成功地集成了收發(fā)功能。這也是基站設計的目標,不過基站所需的性能水平要高得多,因此現(xiàn)在要實現(xiàn)這一目標還很困難。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/3913.htm

PA 線性化
為了滿足頻帶外傳輸規(guī)范要求,PA在較高的 A 類上工作,效率低于 10%,這就需要大型器件以及大量電能。為了優(yōu)化 PA 的尺寸與效率,TI正在開發(fā)線性化技術(shù)。
最簡單的 PA 線性化方法之一就是降低波峰因數(shù)。波峰因數(shù)降低技術(shù)(FR)壓縮了信號“峰值”,并降低了線性工作所需的平均功率。
此外,PA 線性化技術(shù)更大的突破是可使信號預失真。預失真是 PA 線性化的“法寶”,有望使 PA 效率優(yōu)于 25%。不過這種方法非常復雜,并且要求了解 PA 失真特性——而該特性的變化方式非常復雜。該方法的基本思路是通過PA 預失真,使得當傳輸信號經(jīng)過PA 時消除失真,并滿足傳輸屏蔽的要求。其挑戰(zhàn)在于 PA 的失真(即非線性)特性會隨時間、溫度以及偏壓 (biasing) 的變化而變化,因器件的不同而不同。因此,盡管能確定單個器件的特性并設計正確的預失真算法,但要對每個器件都進行上述工作會增加成本。為了解決上述偏差,須使用反饋機制,對輸出信號進行采樣,并用以校正預失真算法。

圖1  基站收發(fā)架構(gòu)

圖2  帶有 PA 線性化的集成發(fā)送器

圖3  集成接收機

集成常見功能與常見技術(shù)
蜂窩基站的另一發(fā)展趨勢就是集成更多功能。集成的目的在于讓功能模塊變得更小以降低功耗、減少成本并提高可靠性。
集成通常采取的是將多個部件放在一個封裝中。因此,分集接收機通過采用一個雙功能部件,來代替兩個 ADC。此外還可以集成使用相同工藝技術(shù)的功能。因此,放大器與混頻器可以集成在一起。架構(gòu)發(fā)展是減少組件數(shù)量并提高性能的另一種方法,其實例之一就是使用正交調(diào)制器與解調(diào)器。
圖 2 顯示了包括更高PA線性化集成度的發(fā)送器。在該例中,波峰因數(shù)降低技術(shù)與數(shù)字預失真都借助 DSP 或微處理器集成到單芯片中。為了實現(xiàn)分集,使用兩條發(fā)送路徑,并在一個部件中集成了多個 DUC??梢钥闯?,正交調(diào)制需要兩個 DAC,而放大器也整合到了調(diào)制器中。發(fā)送信號的采樣在 PA 進行,反饋用于線性化目的。
圖 3 給出了帶有分集接收機的更高集成度的接收機。每個信道都集成了 LNA(低噪聲放大器),帶有正交解調(diào)器、濾波功能、可變增益以及雙 ADC。通過使用正交解調(diào),可用更簡單的 Nyquist 濾波器及抽樣濾波器替代DDC功能。

集成數(shù)字與模擬
真正的挑戰(zhàn)來自在單芯片上混合數(shù)字與模擬功能。高頻數(shù)字邏輯會產(chǎn)生“噪聲”,并會通過電源、其他共用連接以及輻射路徑傳導。噪聲在模擬電路中至關重要,因為它決定著信噪比(SNR),而信噪比則是模擬系統(tǒng)中動態(tài)范圍的關鍵品質(zhì)因素。高性能數(shù)字意味著邏輯速度快,高性能模擬意味著動態(tài)范圍高,將兩者放置在同一 PCB板上需要很高的工程設計技巧,在芯片級上進行集成則更加困難。
盡管模擬電壓最近已成功地從12V下降到5V與3.3V,不過他們很難繼續(xù)降低到目前數(shù)字內(nèi)核電壓以下的水平。這是由于噪聲在工作電壓下降時沒有降低,因此模擬工作電壓必須保持在足夠的高度才能提供良好的 SNR。較低的電壓不足以提供高動態(tài)范圍模擬信號所需的性能空間。
此外,最先進的數(shù)字工藝與最先進的模擬工藝之間在工藝特征尺寸上也有很大差距。例如,(TI)剛投產(chǎn)的最新型DSP采用了C027 90nm制造工藝,而TI最新高性能模擬工藝HPA07與BiCom-III則基于0.35mm的CMOS工藝。
模擬工藝的起點是穩(wěn)定的數(shù)字工藝。不管數(shù)字工藝晶體管提供什么線性功能,都作為片上模擬功能。因此,工藝早期階段的重點仍是數(shù)字;而模擬功能只限于那些不需要額外工藝步驟或修改的項目。一旦工藝成熟并成功制造最新系列的高速邏輯產(chǎn)品后,數(shù)字工藝開發(fā)人員接下來就會開始下一工藝節(jié)點的工作,而模擬技術(shù)設計人員就會努力采用該工藝推出更高的模擬功能。開發(fā)與改進模擬組件需要大量的時間,高性能模擬工藝推出的時間通常比基于數(shù)字工藝的投產(chǎn)要晚幾年。
TI 的 HPA07 與 BiCom-III建立在 0.35mm CMOS 工藝基礎上,該工藝最初開發(fā)用于數(shù)字元件,因此,二者都有著廣泛的數(shù)據(jù)庫。雖然基于CMOS工藝的電源要求與速度使其目前還不適用于領先的 DSP 與 ASIC。但是,工藝的成熟使得模擬元件設計人員能夠推出高度專業(yè)化的技術(shù),以滿足各種不同終端設備的應用。其中,HPA07精確模擬CMOS工藝集成了5V與3.3V數(shù)字邏輯器件以及存儲器,并添加了專門用于模擬功能的晶體管與無源組件。該工藝經(jīng)過精心設計,符合噪聲、晶體管線性以及組件匹配與穩(wěn)定性方面的高性能標準,適用于運算放大器、ADC、DAC、電壓參考與穩(wěn)壓器以及儀表放大器等。此外,該工藝還有助于模擬集成,實現(xiàn)了良好的邏輯門密度、較好的模擬元件性能,并提供埋層隔離,從而使模擬信號免受高頻數(shù)字電路的干擾。
而BiCom-III 是一種硅鍺 (SiGe) 工藝,為超高精度模擬集成電路而開發(fā)。通過在基區(qū)加鍺,大大提高了載流子遷移率,實現(xiàn)了極快的瞬態(tài)時間。該工藝實現(xiàn)了真正互補的雙極 NPN 與 PNP 晶體管,傳輸頻率 (fT)為18GHz,最大頻率(fmax)為 40~60GHz。互補晶體管可實現(xiàn) AB 類放大器級,這對設計高速、高性能模擬電路至關重要。
BiCom-III 工藝先進性能的實例之一是 THS4304。它是首款單位增益穩(wěn)定的 3GHz電壓反饋運算放大器,主要用于高性能、高速模擬信號處理鏈中,在+5V單電源下工作。與傳統(tǒng)器件相比較,所需的補償要高于G=+2V/V的補償情況,但在電源電壓減半的情況下仍然具有極佳的失真性能。

結(jié)語
新型工藝技術(shù)正推動用于蜂窩基站的高性能元件的集成。這一推進力量與拓撲及創(chuàng)新型設計解決方案(如正交調(diào)制器與解調(diào)器)方面的進步以及PA線性化技術(shù)的結(jié)合,將可以降低成本、降低功耗需求、減小尺寸、提高可靠性。但是要在單個器件上集成所有數(shù)字與模擬功能,工藝技術(shù)還有很長的路要走,而要想以低成本實現(xiàn)上述目的,則要走的路還更長?!?/p>



關鍵詞: 德州儀器

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