手機(jī)射頻和混合信號集成問題解決方案

一直以來，蜂窩電話都使用超外差接收器和發(fā)射器。但是，隨著對包含多標(biāo)準(zhǔn)(GSM、cdma2000和W-CDMA)的多模終端的需求不斷增長，直接轉(zhuǎn)換接收器和發(fā)射器架構(gòu)變得日趨流行。在過去十年中，集成電路技術(shù)取得長足發(fā)展，使得在單一芯片上集成各種不同的RF、混合信號和基帶處理功能成為可能。

　　一個(gè)典型的蜂窩收發(fā)器(見圖)包括RF前端、混合信號部分和實(shí)際的基帶處理部分。就接收器而言，通常的架構(gòu)選擇包括直接轉(zhuǎn)換到直流、極低中頻(IF)和直接采樣。直接轉(zhuǎn)換到直流的方法會(huì)受直流偏移和低頻噪音干擾，而低IF可以減輕這類干擾，但鏡像抑制卻是一個(gè)關(guān)鍵性挑戰(zhàn)。RF的直接采樣則存在一些固有缺陷，如低頻噪音、寬帶信號的交疊以及動(dòng)態(tài)范圍需求。

　　在上述所有架構(gòu)中，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是集成模擬和數(shù)字功能。一旦信號下變換為直流或極低中頻，不希望的干擾信號會(huì)伴隨有用信號產(chǎn)生，而且其強(qiáng)度明顯高于有用信號。對這種混合信號進(jìn)行數(shù)字化處理需要一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍的A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器必須具有出色的噪音和無雜散動(dòng)態(tài)范圍性能。以GSM通信為例，偏移載波3MHz處的干擾信號比有用信號高76dB，而偏移600KHz處的干擾信號比有用信號高56dB。這確定了A/D轉(zhuǎn)換器的上限。

　　此外，在參考靈敏度水平，A/D輸入端的有用信號可能只有1mV(-60dBV)。為了不降低噪音指數(shù)性能，量化噪音的基底必須足夠低，對1mV信號要求是在-80dBV。另一方面，CDMA和W-CDMA具有更低的信噪比要求，所以可容忍的量化噪音基底范圍相對較寬。

　　高動(dòng)態(tài)范圍的Σ-Δ轉(zhuǎn)換器可以從連續(xù)時(shí)間轉(zhuǎn)換器到離散采樣時(shí)間轉(zhuǎn)換器等不同類型的器件中進(jìn)行選擇。連續(xù)時(shí)間A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢是提供了抗交疊濾波器，它可以嵌入作為轉(zhuǎn)換器的一部分。而離散時(shí)間轉(zhuǎn)換器則需要在轉(zhuǎn)換器前放置一個(gè)抗交疊濾波器，以消除頻譜鏡像。

　　調(diào)制器的階數(shù)是影響動(dòng)態(tài)范圍的另一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。高階調(diào)制器可以增加動(dòng)態(tài)范圍，但會(huì)導(dǎo)致潛在的穩(wěn)定性問題。單位量化器與多位量化器之比也會(huì)影響動(dòng)態(tài)范圍特性。每個(gè)附加位可以提供6dB的動(dòng)態(tài)范圍，但這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要在反饋通道中進(jìn)行不匹配修整，以獲得所需的動(dòng)態(tài)范圍。

　　圖1: 直接轉(zhuǎn)換到直流的架構(gòu)受制于直流偏移和1/f噪音問題。其它的蜂窩收發(fā)器架構(gòu)包括極低IF和直接采樣。

　　在天線后端，盡早進(jìn)行數(shù)字化有助于獲得魯棒設(shè)計(jì)和更低的成本。模擬元件的寬容差要求可被免除，而數(shù)字模塊可以按數(shù)字工藝縮小幾何尺寸，從而減小芯片體積和相應(yīng)成本。這還有助于走向真正的軟件無線電架構(gòu)，其中A/D和數(shù)字后端模塊可以自動(dòng)適應(yīng)CDMA、W-CDMA和GSM等標(biāo)準(zhǔn)。在選擇架構(gòu)時(shí)必須考慮多模無線電新近提出的一些要求，如系統(tǒng)交接時(shí)W-CDMA和GSM要同時(shí)工作、為了提高容量要采用多樣性接收以及藍(lán)牙功能等。多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)工作將不允許功能模塊的復(fù)用，因而有可能增加裸片的尺寸和功耗。

　　高動(dòng)態(tài)范圍A/D靠一個(gè)高速采樣時(shí)鐘提供時(shí)鐘信號，所以在設(shè)計(jì)和布局階段必須仔細(xì)考慮基底噪音及RF前端的耦合噪聲。來自RF采樣時(shí)鐘諧波的干擾如果處在通道帶寬之內(nèi)的話，可能會(huì)降低接收器的性能。一旦信號實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，一個(gè)公共的硬件平臺(tái)可用來提取期望信號，同時(shí)阻止干擾信號。幾項(xiàng)射頻功能，如直流偏移抵消、自動(dòng)增益控制和頻率偏移校正等，在實(shí)際的數(shù)據(jù)解調(diào)之前可以作為射頻的一部分被執(zhí)行。這減輕了對DSP指令運(yùn)算速度方面的要求，同時(shí)使無線電控制方式更加靈活。