單芯片無(wú)線電通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單芯片無(wú)線電通信系統(tǒng)是將發(fā)射機(jī)、接收器、放大器、電源管理組件以及其他一些基帶邏輯電路綜合成一個(gè)單一芯片的單晶片裝置，單芯片無(wú)線電的實(shí)現(xiàn)是由于深亞微米CMOS技術(shù)的迅猛發(fā)展。由于它體積小，低功耗，可以很方便地嵌入到非常小的或者是便攜式的電子產(chǎn)品中。又由于使用了CMOS技術(shù)，使其成本低，同時(shí)因所有電路組件都在一塊芯片上，與用PCB板設(shè)計(jì)的電路相比，設(shè)計(jì)的最終產(chǎn)品有更高的可靠性。

　　在單芯片無(wú)線電通信中最重要的組成部分是發(fā)射和接收，被稱(chēng)為短收發(fā)。在發(fā)射方，由邏輯電路產(chǎn)生一個(gè)低頻的基帶信號(hào)，首先由一個(gè)混合器調(diào)制到適當(dāng)?shù)念l率(上轉(zhuǎn)換)，然后信號(hào)經(jīng)功率放大器(PAS)增強(qiáng)后由天線輻射出去。

　　在接收方，天線接收到信號(hào)，通過(guò)低噪聲放大器(LNAs)，最后被混頻器調(diào)制，這次是降低信號(hào)的頻率，稱(chēng)為下轉(zhuǎn)換。將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)雙方結(jié)合在一個(gè)單芯片上，必須有一個(gè)允許天線發(fā)射和接收信號(hào)的開(kāi)關(guān)，并且要落實(shí)隔離技術(shù)，以確保獨(dú)立的電路不互相干擾。

　　1 收發(fā)器的結(jié)構(gòu)

　　一個(gè)發(fā)射加上接收的收發(fā)器，發(fā)射機(jī)送電信號(hào)經(jīng)天線進(jìn)入大氣層，如果想得到非常高的頻率，比如大于1 GHz時(shí)，發(fā)射機(jī)將采用連續(xù)的上變頻來(lái)達(dá)到正確的頻率。但是，如果所需的頻率很低，例如100 MHz以下，那么發(fā)射機(jī)往往用一個(gè)直接轉(zhuǎn)換方法，或是單上變頻。

　　直接轉(zhuǎn)換，又被稱(chēng)為零中頻調(diào)制。在設(shè)計(jì)中采用直接轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)在于這種方法能提供更好的噪聲特性，使發(fā)射機(jī)不再需要大體積的濾波器，否則它將占去單芯片過(guò)大的體積。但如果基帶和載波頻率不同量級(jí)，混頻器的設(shè)計(jì)就變得更加困難。所以，當(dāng)芯片采用調(diào)幅/調(diào)頻無(wú)線電通信時(shí)，應(yīng)該采用直接轉(zhuǎn)換方案;當(dāng)它被用于GSM或WLAN的解決方案時(shí)，將用連續(xù)的上變頻，以達(dá)到正確的頻率，這也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

　　1.1 混頻器

　　混頻器是一個(gè)為調(diào)制信號(hào)頻率的電路，在無(wú)線電應(yīng)用中，混頻器在基帶頻率和載波頻率之間轉(zhuǎn)換電信號(hào)，兩路信號(hào)驅(qū)動(dòng)混頻器，輸出的信號(hào)是兩個(gè)輸入信號(hào)相乘。當(dāng)通過(guò)混頻器時(shí)，輸入和振蕩器信號(hào)將成倍增加，并且能計(jì)算出來(lái)?；祛l器實(shí)際上是兩個(gè)信號(hào)的乘法電路，線性代數(shù)的一個(gè)簡(jiǎn)單性質(zhì)證明，任何信號(hào)都可以用傅里葉級(jí)數(shù)描述，任何信號(hào)都是不同頻率的正弦曲線的總和。因此每個(gè)信號(hào)可以用正弦曲線表示，這是數(shù)學(xué)三角函數(shù)特性引起的頻率的加和減。比如，輸入V1和V2，并使它們通過(guò)一個(gè)混合器，V1的形式為V1=cosω1t，V2的形式為V2=c-osω2t，對(duì)傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)說(shuō)，ω1和ω2是信號(hào)的頻率，t是時(shí)間變量。

　　兩個(gè)信號(hào)的乘式為：

　　因此，其輸出頻率是由輸入頻率的相加和相減兩個(gè)部分組成。在實(shí)踐中，濾波是用來(lái)去除不想要的正弦頻率分量。在先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)中，能將濾波器包含在混頻器中設(shè)計(jì)，從而避免大體積的濾波器，這是單芯片無(wú)線電通信考慮的一個(gè)重要因素。

　　1.2 低噪聲放大器(LNA)

　　低噪聲放大器(LNA)是一個(gè)旨在限制雜散信號(hào)的放大器，它常用在無(wú)線電收發(fā)機(jī)的接收部分，并且非?？拷炀€。在大多數(shù)情況下，接收機(jī)天線接收到的微弱的射頻信號(hào)將包含一些雜散信號(hào)，因此，降低噪聲對(duì)接收機(jī)非常重要。根據(jù)Friis公式對(duì)于噪聲的描述，接收機(jī)的全部噪聲指數(shù)由最初級(jí)所控制，因此，將低噪聲放大器放在接收部分的前級(jí)，以提高信號(hào)的抗干擾能力。采用低噪聲放大器，后面各級(jí)噪音隨著LNA的增加而減少，而LNA的噪聲直接注入到信號(hào)中。因此，當(dāng)存在少量噪聲和失真時(shí)，加入低噪聲放大器，以增強(qiáng)有用信號(hào)功率是必要的。而信號(hào)可在系統(tǒng)的后級(jí)得到恢復(fù)。為了產(chǎn)生適當(dāng)增益，可以將幾個(gè)LNA串聯(lián)起來(lái)工作。

　　1.3 功率放大器(PA)

　　功率放大器是一個(gè)保持電信號(hào)波形不失真情況下增加其功率的電路。功率放大器被用于發(fā)射機(jī)部分，并放在天線的附近。信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器送到天線，發(fā)送到外界環(huán)境中，由另一個(gè)無(wú)線電接收裝置接收。功率放大器也可串聯(lián)，以產(chǎn)生與1 W相似的所需功率，它們?nèi)Q于無(wú)線電信號(hào)發(fā)送的范圍。

　　1.4 天線

　　單芯片無(wú)線收發(fā)裝置設(shè)計(jì)的另一關(guān)鍵部分是天線。為了使整個(gè)系統(tǒng)規(guī)模較小，許多現(xiàn)代的單芯片無(wú)線解決方案使用片上天線代替分布式天線。在半導(dǎo)體基板上的天線制作是在高阻硅襯底上制造95 GHz的IMPATT二極管振蕩器的芯片集成天線，和在砷化鎵基板上制造43.3 GHz IMPATT二極管振蕩器的芯片集成天線。高阻硅襯底也被用來(lái)制造基于天線操作范圍在90～802 GHz的微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。

　　除了襯底兼容性以外，要降低成本，天線必須利用主流硅技術(shù)上的導(dǎo)體和絕緣層制作。目前，金屬層可以是8～9層，厚度介于0.5～2μm之間。導(dǎo)體可以采用鋁或銅，該絕緣層分離導(dǎo)體是由于二氧化硅厚度介于0.5～1 μm之間的變化引起。芯片天線可以用來(lái)在集成電路內(nèi)部以及外部自由空間通信，信號(hào)的傳播是在傳播介質(zhì)中以光速傳播，但在無(wú)線互連網(wǎng)中使用的芯片天線不需要光學(xué)元件，因?yàn)槠潆y于集成。