先進的3G多頻段收發(fā)器實現了前端的高度集成

目前絕大多數的2G和2.5G蜂窩網都工作在RF頻譜中的四個頻段。由于這四個頻段是全球統(tǒng)一規(guī)劃的，這就意味著如果某個用戶攜帶他的手機到其他國家，手機的RF部分就很可能工作在不同的頻段或頻率上。這就需要手機設計提供多路開關和一些關鍵器件的并行配置，如功率放大器(PA)和聲表面波(SAW)濾波器。但由于技術的成熟度和2G市場的容量，還有先進的分組技術以及集成的IC收發(fā)器設計，這些并行設計可使這類手機的成本和體積的增加減至最小。

圖1所示為典型的四頻段GSM收發(fā)器的設計架構。通過集成，在信號鏈路上只需以下三片主要器件：1. 多帶PA和集成開關模塊；2. 四頻段Rx SAW濾波器組；3. 硅收發(fā)器。

3G的情況與所討論的以前的蜂窩系統(tǒng)有點類似。一開始分配給UMTS 3G系統(tǒng)的頻譜是第一頻段。這種情況下，所需的RF前端相對簡單，可以使用外部濾波器，從而不需要太大的成本和PCB面積的開銷。但是，由于不同地區(qū)和規(guī)定的限制，以及新頻譜的許可，使得目前全球共有10個頻段分配給3G網絡，不過這些頻段中部分存在交疊。現在2G網絡的用戶都能想到在外出旅游時能夠繼續(xù)使用他們的手機，那么3G用戶當然也期望如此。這對于高端用戶尤其重要，無論是數據業(yè)務還是語音業(yè)務都是如此，因為這些用戶通常是商業(yè)用戶并且是3G技術的早期用戶。因此，需要更具成本效益的多頻段收發(fā)器設計。圖2所示為目前的頻段分配圖。一部典型的多頻段手機目前應該能夠具有覆蓋所有三個頻段的能力，即一個低頻段和兩個高頻段。

實現所期望的多頻段功能的最簡單的方法是采用目前的單頻段收發(fā)器設計方案，即并行設置幾個前端模塊。射頻收發(fā)器電路極其相似，只是需要對外部匹配和RF濾波器進行專門設計以適應于手機所需的工作頻段。利用仔細的頻率規(guī)劃、寬帶PLL系統(tǒng)，以及亞微米CMOS工藝的高集成度，就可以很好地實現這種方案。但是，考慮到芯片成本、集成度、外部元器件數量以及RF收發(fā)器所占的PCB面積等因素，這種方案不是理想方案。圖3所示的就是這類方案的一個實際例子，只是為了簡化而去掉了GSM部分。

圖1：僅利用3只器件的四頻段GSM收發(fā)器的實例。

圖2：3GPP頻段頻率分配圖。

圖3：利用單頻段設計組合實現的3G多頻段收發(fā)器前端實例。

Othello-3系列的3G收發(fā)器采用了大膽的處理架構，在這種架構中掃清了與前端集成相關的各種障礙。其中最大的障礙就是需要外接濾波器，因為濾波器限定了某工作頻段的輸入和輸出頻率范圍。在WCDMA這樣的全雙工系統(tǒng)中，發(fā)射機和接收機同時工作，故在天線那里始終需要一個雙工濾波器，其目的是防止大功率的發(fā)射信號降低高靈敏度接收機的性能。但是由于電路的限制，對于前端設計來說，通常需要在各個發(fā)射和接收通道上設計額外的分離器件濾波器，如圖3所示。

發(fā)射機架構

一個常見的超外差發(fā)射機架構如圖4所示。

圖4：超外差發(fā)射機架構。

濾波后的I/Q基帶輸入信號與正交的本振信號(LO)混頻，然后產生一個恒定的中頻(IF)信號，該中頻頻率通常位于兆赫級的低到中段。由于這是一個混合信號，故需要對其進行濾波，去除寄生信號，本振信號以及諧波信號。再通過與一個可變頻率振蕩器進行二次混頻，形成最終的所需信道所要求的RF輸出信號。增益控制被分配在不同部分。不過要想濾除無用的頻率，并確保滿足接收機頻段所需的噪聲和諧波指標，使用一個外部的SAW濾波器能夠極大地緩解集成Tx通道的設計需求。經過濾波的帶限單端輸出信號被送到PA和雙工器，從而完成了前端發(fā)射鏈。

Othello-3系列的3G收發(fā)器采用的是直接變頻或“零外差”發(fā)射機架構，在這種架構中，正交的基帶信號被直接上變頻到RF載波。這就省去了二次混頻，并省去了相關的RF寄生和各種無用頻率的濾波電路，使得去掉外部的濾波器變?yōu)榭赡?。不過，由于沒有Tx濾波器衰減，需要考慮其它方面的事情，主要是如前所述的接收機頻段的噪聲電平。

為了解決這一問題，Othello-3系列產品包括了一個特色的調制器核設計，該設計中省去了LO通道的噪聲源，而傳統(tǒng)上該噪聲源是遠離載波(例如接收機頻段)的各頻率上的主要調制噪聲。Othello-3的86dB的增益控制也被肢解集成到調制器核內，從而省去了信號通道上的額外電路，從而減小了相關的噪聲貢獻。低噪聲設計技術貫穿整個發(fā)射機設計的各個部分，因而無需額外的濾波就可以直接滿足帶外噪聲要求。這確保了在所有工作條件下性能最佳。校準全部是自校準而無需用戶輸入。調制器電路普遍來說與所有IC設計一樣，都采用全差分信號處理，然而，Othello-3還帶有一個巴倫，單端輸出阻抗為50歐，可以直接送往PA模塊，而不需要外部的匹配原件。

Othello-3發(fā)射通道還提供了優(yōu)異的誤差矢量幅度(EVM)和相鄰信道泄漏比(ACLR)性能。省去了發(fā)射通道上的外部SAW濾波器大大減少了材料成本和PCB面積，并為多頻段PA集成鋪平了道路，正如GSM市場上所見的那樣，一片PA封裝內可以包括所有四個頻段。

直接變頻接收機

用在所有Othello收發(fā)器上的直接變頻接收機架構，是一種優(yōu)異的和經驗證的收發(fā)器架構，其原因是其高集成度。在GSM接收機中，整個接收信號鏈都可以被集成。對于發(fā)射機信號泄漏到接收機是個問題的3G系統(tǒng)來說，以前需要采用級間濾波器，如圖3所示。這就減小了關鍵的混頻級以前的發(fā)射信號泄漏。在低噪聲放大器(LNA)之后設置一個SAW濾波器，要確保濾波器損耗不能影響接收機靈敏度，不過這確是集成的一個障礙。

Othello-3包含三個LNA模塊，兩個適用于高頻段，一個用于低頻段。每個LNA有一個單端輸入，可以容易地與各自的雙工濾波器匹配。每個LNA包括一個最佳帶通響應，以減小帶外信號的電平以及發(fā)射機信號到混頻級的泄露。Othello-3還采用了高線性度混頻器設計，從而不需要外部級間濾波器，如圖5所示。接收機增益控制被最佳分配到RF信號鏈和基帶處理的各級上。為了方便增益的可編程和校準，Othello-3包括集成在內部的增益分配邏輯。基帶只需要往芯片中寫入一個單增益字，就可以自動實現最大動態(tài)范圍條件下的最佳增益分配。

圖5：去掉了外部濾波器的AD6551前端架構。

上面所述的例子說明了3G RF器件的集成，而供應商還在試制天線開關模塊，其中包含所有的前端模式和帶有GSM Rx SAW濾波器組的集成波段開關。

ADI Othello-3收發(fā)器目前由AD6551組成，最適用于WCDMA 3G手機，而AD6552適用于3G TD-SCDMA模式。這兩款器件都可用于3GPP版本5以及HSDPA工作模式。

本文小結

目前的單模式2G手機，只利用3個主要的芯片封裝，就可以實現整個四頻段射頻方案。該方案具有最小的空間并且具有所需的設計功能。初期的3G手機被限制到單頻段模式，依賴于外部濾波器來滿足指標，但這種架構對于多頻段手機設計方案來講，無論是尺寸還是成本上都不是最佳的選擇。Othello-3省去了外部濾波器，從而使得在目前的3G收發(fā)器設計中能夠實現前端器件和PA的進一步集成。隨著集成技術和開關設計方面的進展，越來越多的前端器件可以逐步被集成，但利用Othello-3這樣的收發(fā)器，可以實現全部優(yōu)化的多模架構。

作者：Mike Durrant

RF應用工程師

ADI公司