基站接收器集成化的進展

　　面對移動電話數(shù)據(jù)業(yè)務需求量的持續(xù)攀升，基站設計人員被迫不斷地增加帶寬和降低成本。就安裝和運作旨在滿足增長需求的額外基站而言，影響其總體成本的因素很多。在宏蜂窩基站中使用體積較小、功率較低的電子組件除了有助降低初期成本以外，對于降低基站塔的現(xiàn)行土地房屋租賃成本及電能消耗也是有利的。諸如遠端射頻頭 (RRH) 等新型架構有望進一步減低成本。超小型微微蜂窩和毫微微蜂窩基站將數(shù)據(jù)業(yè)務擴展到了較大的宏蜂窩基站未覆蓋的領域。為了實現(xiàn)這些好處，基站設計人員需要具有極高集成度的新型組件，而且它們不能以犧牲性能為代價。

　　由于性能要求的原因，射頻電路中RF部分的集成尤其具有挑戰(zhàn)性。10多年前，典型的基站架構需要若干個電路級，包括低噪聲放大、至中頻 (IF) 的下變頻轉換、濾波及進一步的放大。如今，較高性能混頻器、放大器和具有較高采樣速率的較高動態(tài)范圍模數(shù)轉換器 (ADC) 使設計人員能免除下變頻轉換級 (集成為單個 IF 級)。然而，組件集成仍然受到一定的限制。混頻器可提供緩沖 IF 輸出、集成型平衡-不平衡變壓器、LO 開關及分頻器。帶有一個混頻器和一個 LO 用 PLL 的器件代表了近期的集成化發(fā)展水平。內置雙混頻器和雙放大器的器件已面市。到目前為止，尚沒有將 RF 鏈路的任何部分與 ADC 集成在同一塊芯片上的器件。這主要是因為每種組件都必需采用獨特的半導體工藝。對于應用來說，由于選擇一種通用工藝所帶來的性能折衷是不能接受的。

　　與此同時，手機射頻電路已發(fā)展成為高集成度的基帶和收發(fā)器 IC 以及集成型 RF 前端模塊 (FEM)。收發(fā)器與天線之間的 RF 功能塊包括濾波、放大和開關 (需要時在組件之間還包括阻抗匹配功能塊)。收發(fā)器集成了接收 ADC、發(fā)送 DAC及相關聯(lián)的 RF 功能塊。這里，性能要求所處的水平允許采用一種通用的工藝。FEM 運用系統(tǒng)級封裝 (SiP) 技術來集成不同的 IC 與無源元件，包括多模式濾波器和用于發(fā)送與接收的 RF 開關。這里雖然不適于采用某種通用工藝，但仍然需要集成。

　　微微蜂窩和毫微微蜂窩基站中的 RF / IF、ADC 和 DAC 組件的性能要求往往遠遠低于宏蜂窩基站，這是因為其覆蓋范圍、功率輸出和每個服務區(qū)的用戶數(shù)量均不及后者。在某些場合中，手機組件的修改版可用于微微蜂窩或毫微微蜂窩基站，并提供必要的集成、低功率和低成本。這里，一種通用的半導體工藝為信號鏈路中的所有功能塊提供了足夠的性能水平。宏蜂窩基站怎樣才能實現(xiàn)這種集成度呢?

　　傳統(tǒng)的集成化方式是：在一顆單片式芯片上集成越來越多的功能，而這往往是“成群”出現(xiàn)的。較小幾何尺寸的半導體工藝成為可行、具備生產價值并產生了適合基站應用的足夠性能。隨之而來的功耗降幅常常為整整一個數(shù)量級，這使得能夠將許多先前分離的功能部件加以集成。這樣一來就可以整合眾多的新型功能，不久便會有一批高集成度的產品面市。在手機領域，伴隨著基帶和收發(fā)器 IC 的問世就出現(xiàn)了上述情形。在兩次重大的工藝幾何尺寸改進之間，常常存在一個漫長的滯后期。當傳統(tǒng)的集成化方式受阻時，其他的替代方案便出現(xiàn)了。

　　與在手機中一樣 (即：單片式集成一直延續(xù)到 RF 前端，接著由模塊提供后續(xù)的集成)，一種新型模塊為基站應用提供了新的集成度。近期的例子是凌力爾特公司推出的 LTM9004 和 LTM9005 μModule® 接收器，它們實現(xiàn)了高速 ADC 與 RF 信號鏈路的集成。LTM9004 采用直接轉換架構，具有一個 I/Q 解調器、低通濾波器和一個雙通道 ADC (圖 1)。而 LTM9005 采用 IF 采樣架構，具有一個下變頻混頻器、SAW 濾波器和一個單通道 ADC (圖 2)。這兩款器件均采用 22mm x 15mm LGA 封裝，占用的板級空間縮減了約 75%，同時集成了多個 IC 和幾十個無源組件。這種集成是無法運用傳統(tǒng)方式來實現(xiàn)的，因為高速 ADC 采用細線 CMOS 工藝，而 RF 組件采用的則是鍺化硅 (SiGe) 工藝。此外，由于性能要求的緣故，許多無源組件完全無法采用硅集成。

　　圖 1：LTM9004 μModule 接收器中實現(xiàn)的直接轉換架構

　　圖 2：LTM9005 μModule 接收器中實現(xiàn)的 IF 采樣架構

　　為什么說這種集成度最適合采用 SiP 技術來實現(xiàn)呢? IF 采樣架構為此提供了一個明確的論據(jù)。每種組件都具有獨特和苛刻的要求，因而必須依賴于某種優(yōu)化的制造工藝。這就造成了目前沒有通用工藝的現(xiàn)狀。更加重要的是，中頻頻段上的信號濾波必須非常優(yōu)良，以確保對有可能影響基站性能的干擾信號進行帶外抑制。如今，這種濾波處理是利用密封陶瓷封裝的表面聲波 (SAW) 濾波器來完成的。LTM9005 中集成了此類濾波器。

　　LTM9005-AB 可與一個 RF 前端一起使用，以構建一個完整的 UMTS 頻段上行鏈路接收器。接收器的最低性能詳見 3GPP TS25.104 V7.4.0 規(guī)范 (處于工作頻段 I 的中等覆蓋區(qū)域基站，4 個載波)。RF 前端由一個陶瓷雙工器以及一個或多個低噪聲放大器與陶瓷帶通濾波器組成。下面給出了此類前端的典型性能示例：

　　? 接收頻率范圍： 1920 至 1980MHz

　　? RF 增益： 17dB (最大值)

　　? AGC 范圍： 20dB

　　? 噪聲指數(shù)： 1.6dB

　　? IIP2： +50dBm

　　? IIP3： 0dBm

　　? P1dB： -9.5dBm

　　? 抑制 (在 20 MHz)： 2dB

　　? 抑制 (在發(fā)送頻段)： 95dB

　　直接轉換接收器架構雖不及 IF 采樣架構常用，但其相比于傳統(tǒng)的超外差結構具有一些優(yōu)勢，并為最終的單片式集成提供了最大的潛力。由于它不易遭受鏡頻信號的影響，因而降低了對于 RF 前端帶通濾波的要求。RF 帶通濾波器僅需衰減強的帶外信號，以避免它們使前端過載。另外，直接轉換還免除了增設 IF 放大器與帶通濾波器的需要，而是直接將 RF 輸入信號轉換至基帶。

　　不過，直接轉換確實存在其特有的一系列實現(xiàn)問題。由于接收 LO 信號與 RF 信號處于相同的頻率，因此它很容易從天線輻射出去并違犯相關的管控標準。不管怎樣，LTM9004-AC 都可與一個 RF 前端一起使用，以采用前文討論的 3GPP TS25.104 V7.4.0 規(guī)范 (處于工作頻段 I 的中等覆蓋區(qū)域基站，4 個載波) 構成一個相似的 UMTS 頻段上行鏈路接收器。同樣，RF 前端由一個雙工器以及一個或多個低噪聲放大器 (LNA) 與帶通濾波器組成。在這種場合，自動增益控制 (AGC) 的變量調整被置于 RF 域中，以最大限度地減小同相和正交通道之間的增益或相位偏差。和前面一樣，這樣一款前端的典型性能同樣符合 3GPP 標準：

　　? 接收頻率范圍： 1920 至 1980 MHz

　　? RF 增益： 23.5dB (最大值)

　　? AGC 范圍： 20dB

　　? 噪聲指數(shù)： 1.6dB

　　? IIP2： 50dBm

　　? IIP3： 0dBm

　　? P1dB： -9.5dBm

　　? 抑制 (在 20 MHz)： 2dB

　　? 抑制 (在發(fā)送頻段)： 96dB

　　接收器的二階非線性也會產生不想要的基帶信號。進入接收器的任意頻率音調都將在基帶電路中引起 DC 偏移。另外，接收器的二階非線性還允許一個已調制信號 (甚至是期望的信號) 產生一個以 DC 為中心的偽隨機能量塊。無論如何，它不僅適合當今的許多應用，同時還由于具備有利于實現(xiàn)集成化的巨大潛力等眾多原因，而擁有很好的發(fā)展前景。

　　結論

　　要想實現(xiàn)重大的集成，采用傳統(tǒng)的單片式方法并非始終可行，特別是在性能要求很高的時候。當半導體工藝相互不兼容時，仍然能夠在不犧牲性能的情況下實現(xiàn)功能部件的集成。μModule 接收器證明：宏基站性能可以在一個完全集成和緊湊的封裝之中得以實現(xiàn)?；蛟S隨著時間的過去人們可以克服性能上的局限性，從而允許信號鏈路中的所有功能部件都采用一種通用的半導體工藝。而在那一天到來之前，集成的壓力將持續(xù)存在，而 SiP 技術在性能和外形尺寸方面可提供明顯的優(yōu)勢。