基站接收器集成化的進(jìn)展

　　面對(duì)移動(dòng)電話數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求量的持續(xù)攀升，基站設(shè)計(jì)人員被迫不斷地增加帶寬和降低成本。就安裝和運(yùn)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(duì)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(yuǎn)端射頻頭 (RRH) 等新型架構(gòu)有望進(jìn)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(wù)擴(kuò)展到了較大的宏蜂窩基站未覆蓋的領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)這些好處，基站設(shè)計(jì)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(jià)。

　　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(gòu)需要若干個(gè)電路級(jí)，包括低噪聲放大、至中頻 (IF) 的下變頻轉(zhuǎn)換、濾波及進(jìn)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(dòng)態(tài)范圍模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 使設(shè)計(jì)人員能免除下變頻轉(zhuǎn)換級(jí) (集成為單個(gè) IF 級(jí))。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(guān)及分頻器。帶有一個(gè)混頻器和一個(gè) LO 用 PLL 的器件代表了近期的集成化發(fā)展水平。內(nèi)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?yàn)槊糠N組件都必需采用獨(dú)特的半導(dǎo)體工藝。對(duì)于應(yīng)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(shí)，手機(jī)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(guān) (需要時(shí)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(guān)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(yùn)用系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP) 技術(shù)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(guān)。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(yuǎn)遠(yuǎn)低于宏蜂窩基站，這是因?yàn)槠涓采w范圍、功率輸出和每個(gè)服務(wù)區(qū)的用戶數(shù)量均不及后者。在某些場(chǎng)合中，手機(jī)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(dǎo)體工藝為信號(hào)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(shí)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(dǎo)體工藝成為可行、具備生產(chǎn)價(jià)值并產(chǎn)生了適合基站應(yīng)用的足夠性能。隨之而來的功耗降幅常常為整整一個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得能夠?qū)⒃S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(huì)有一批高集成度的產(chǎn)品面市。在手機(jī)領(lǐng)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(jìn)之間，常常存在一個(gè)漫長的滯后期。當(dāng)傳統(tǒng)的集成化方式受阻時(shí)，其他的替代方案便出現(xiàn)了。

　　與在手機(jī)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(yīng)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(shí)現(xiàn)了高速 ADC 與 RF 信號(hào)鏈路的集成。LTM9004 采用直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)，具有一個(gè) I/Q 解調(diào)器、低通濾波器和一個(gè)雙通道 ADC (圖 1)。而 LTM9005 采用 IF 采樣架構(gòu)，具有一個(gè)下變頻混頻器、SAW 濾波器和一個(gè)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(jí)空間縮減了約 75%，同時(shí)集成了多個(gè) IC 和幾十個(gè)無源組件。這種集成是無法運(yùn)用傳統(tǒng)方式來實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)楦咚?ADC 采用細(xì)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(shí)現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)

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

　　為什么說這種集成度最適合采用 SiP 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)呢? IF 采樣架構(gòu)為此提供了一個(gè)明確的論據(jù)。每種組件都具有獨(dú)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(hào)濾波必須非常優(yōu)良，以確保對(duì)有可能影響基站性能的干擾信號(hào)進(jìn)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(gè) RF 前端一起使用，以構(gòu)建一個(gè)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(gè)載波)。RF 前端由一個(gè)陶瓷雙工器以及一個(gè)或多個(gè)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(zhuǎn)換接收器架構(gòu)雖不及 IF 采樣架構(gòu)常用，但其相比于傳統(tǒng)的超外差結(jié)構(gòu)具有一些優(yōu)勢(shì)，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(hào)的影響，因而降低了對(duì)于 RF 前端帶通濾波的要求。RF 帶通濾波器僅需衰減強(qiáng)的帶外信號(hào)，以避免它們使前端過載。另外，直接轉(zhuǎn)換還免除了增設(shè) IF 放大器與帶通濾波器的需要，而是直接將 RF 輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換至基帶。

　　不過，直接轉(zhuǎn)換確實(shí)存在其特有的一系列實(shí)現(xiàn)問題。由于接收 LO 信號(hào)與 RF 信號(hào)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(guān)的管控標(biāo)準(zhǔn)。不管怎樣，LTM9004-AC 都可與一個(gè) 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(gè)載波) 構(gòu)成一個(gè)相似的 UMTS 頻段上行鏈路接收器。同樣，RF 前端由一個(gè)雙工器以及一個(gè)或多個(gè)低噪聲放大器 (LNA) 與帶通濾波器組成。在這種場(chǎng)合，自動(dòng)增益控制 (AGC) 的變量調(diào)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(biāo)準(zhǔn)：

　　? 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(huì)產(chǎn)生不想要的基帶信號(hào)。進(jìn)入接收器的任意頻率音調(diào)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(gè)已調(diào)制信號(hào) (甚至是期望的信號(hào)) 產(chǎn)生一個(gè)以 DC 為中心的偽隨機(jī)能量塊。無論如何，它不僅適合當(dāng)今的許多應(yīng)用，同時(shí)還由于具備有利于實(shí)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(jié)論

　　要想實(shí)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(shí)候。當(dāng)半導(dǎo)體工藝相互不兼容時(shí)，仍然能夠在不犧牲性能的情況下實(shí)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(gè)完全集成和緊湊的封裝之中得以實(shí)現(xiàn)。或許隨著時(shí)間的過去人們可以克服性能上的局限性，從而允許信號(hào)鏈路中的所有功能部件都采用一種通用的半導(dǎo)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(shù)在性能和外形尺寸方面可提供明顯的優(yōu)勢(shì)。