將高性能RF信號鏈集成至更小空間

空間！有待探索的最后一片疆域,將高性能RF信號鏈集成至更小空間的解決方案是行業(yè)需求也是未來趨勢。

日趨小巧緊湊的設(shè)備

在實驗室里有一臺Rohde Schwarz FSIQ頻譜分析儀，它的一側(cè)貼著一個標(biāo)簽：“兩人抬”。 如果我們讓時間快進(jìn)十年，可能只需要一只手就能拎起一臺先進(jìn)的頻譜分析儀。 這雖然有點夸張，但保守地說，肯定不需要“兩人抬”。整個行業(yè)似乎都在重復(fù)這一幕，設(shè)備變得越來越小、越來越緊密，或者保持尺寸不變的同時增加更多功能。這增大了設(shè)備設(shè)計的難度。 更嚴(yán)峻的問題是，冷卻風(fēng)扇卻在設(shè)備中用得越來越少，這就帶來了降低設(shè)備功耗和自熱的壓力。如圖1所示，包括現(xiàn)代通信設(shè)備在內(nèi)的設(shè)備越來越小巧緊湊。

圖1 小巧緊湊的設(shè)備

考慮無線收發(fā)器的設(shè)計方法時，必須盡早決定是否以分立方式構(gòu)建電路。要實現(xiàn)藍(lán)牙、Zigbee或GPS等常用無線電標(biāo)準(zhǔn)，采用分立方案意義不大。 同樣的道理，高度集成的芯片組除了它的本來的應(yīng)用外，幾乎沒有其他用處。一般從空間角度考慮，高度集成的芯片組較佳，但往往靈活性不足，而且性能低于采用分立器件實現(xiàn)的電路。這自然引出下面的問題：是否有一個兩全其美的解決方案？也就是說，它既有一定的集成度，可以節(jié)省空間，同時能為設(shè)計人員提供適當(dāng)?shù)撵`活性。

必須考慮RF信號鏈中典型器件的相對尺寸?，F(xiàn)代有源器件，例如IQ調(diào)制器、IQ解調(diào)器和混頻器等，通常采用MLF封裝，典型尺寸為16mm2~36mm2。VCO和SAW濾波器相對較大。100mm2的VCO并不罕見，SAW濾波器的表面面積常常達(dá)到35mm2。

LO合成技術(shù)的演變

基于PLL的頻率合成器有兩個主要器件：鎖相環(huán)(PLL)和壓控振蕩器(VCO)。由于分立VCO的尺寸相對較大，因此IC設(shè)計界非常希望將VCO集成到PLL中。

雖然將VCO集成到IC芯片并不是特別困難，但要集成高質(zhì)量VCO并非易事。 所謂高質(zhì)量，是指信號的相位噪聲或頻譜純度。較低的VCO相位噪聲可以改善接收機(jī)靈敏度以及發(fā)射和接收信號的誤差矢量幅度。

圖2所示比較多款集成到IC中的VCO相位噪聲性能。1MHz偏移時-135dBc/Hz的相位噪聲可以與分立VCO的性能相媲美。

圖2 多款集成到IC中的VCO相位噪聲性能

ADF4350和ADF4351，這些是集成VCO的PLL系列器件。 除了相位噪聲非常低以外，這些器件中的VCO庫具有完整的倍頻程范圍。將寬VCO頻率范圍與一組分頻器結(jié)合，便可獲得137.5 MHz~4.4 GHz的連續(xù)工作范圍。 對于ADF4351，器件中還有額外的分頻器，因此其最低工作頻率為35 MHz。

ADF4351 PLL的閉環(huán)相位噪聲性能如圖3所示，VCO工作頻率為4.4GHz。 閉環(huán)相位噪聲由上方的深藍(lán)色曲線表示。隨著分頻器相繼開啟，輸出頻率不斷降低；頻率每降低一半，相位噪聲性能提高6 dB。

圖3 ADF4351 PLL的閉環(huán)相位噪聲性能

VCO庫提供一個倍頻程的調(diào)諧范圍，利用分頻器陣列實現(xiàn)4.4GHz~35MHz的工作范圍。器件尺寸5mm×5mm，主要外部元件包括電源去耦電容和環(huán)路濾波器。

VCO和分頻器庫均集成于片上，剩余的外部器件只有電源去耦電容和外部環(huán)路濾波器。因此，集成VCO將能節(jié)省相當(dāng)大的空間。

接收信號鏈的演變

接收機(jī)架構(gòu)如何演變，以及對這些電路的尺寸有何影響呢？回顧幾年前，我們發(fā)現(xiàn)，那時的典型分集接收機(jī)已經(jīng)具有一定的集成度。但在混頻器的RF側(cè)，LNA和可變衰減器全部是分立器件?；祛l器的LO則利用外部VCO實現(xiàn)。

現(xiàn)在我們展望幾年后的情況，對于大多數(shù)應(yīng)用，帶分立VCO的PLL可以由單個集成器件所取代。此外，混頻器RF側(cè)的集成度更高。后置LNA放大器與可變衰減器集成在一起。 這可以稱作水平集成，即信號鏈中的相鄰器件合并到一個封裝中。但是，可以注意到，前端LNA仍是一個獨立器件。這是因為，設(shè)計LNA的PHEMPT工藝并不是特別有利于與數(shù)字步進(jìn)衰減器集成。

當(dāng)我們集成分集接收機(jī)中的器件時，還有一個選項可以考慮，即所謂“垂直集成”。 如圖4所示，我們選擇了雙通道ADC和雙通道ADC驅(qū)動器，但使用兩個獨立的混頻器。

圖4 中頻采樣信號鏈的演變

垂直集成時必須考慮的一個重要因素是器件之間的寄生耦合或泄漏。比如，一個雙通道混頻器的輸入至輸入泄漏，值得注意的是泄漏水平隨輸入頻率提高而提高。這是非常典型的現(xiàn)象，因為寄生耦合路徑的阻抗隨頻率提高而降低。所以，混頻器的RF側(cè)通常不采用垂直集成方式。就混頻器而言，一般都會提供單通道和雙通道版本，設(shè)計人員可以決定所需的集成度。

近年來，業(yè)界熱衷于用直接變頻或零中頻接收機(jī)來取代常用的中頻采樣架構(gòu)，如圖5所示。 零中頻接收機(jī)利用IQ解調(diào)器，將RF信號一步下變頻至基帶。這種架構(gòu)最吸引人之處在于，它無需前端鏡像濾波器以及尺寸相對較大、損耗較高的IF SAW濾波器。這種方法具有空間優(yōu)勢，但對頻率非常敏感。由于無需擔(dān)心IF和頻率規(guī)劃，因此接收機(jī)的頻率范圍僅受PLL、IQ解調(diào)器和前端LNA的工作范圍的限制。寬帶IQ解調(diào)器和PLL的選擇范圍廣，所以這種方法非常適合可再配置的無線電應(yīng)用。

圖5 直接變頻接收架構(gòu)

采用直接變頻具有潛在的空間優(yōu)勢。在分集中頻采樣接收機(jī)和分集零中頻接收機(jī)的布局中值得注意的是，空間使用率與外部無源組件密切相關(guān)，與其他方面的關(guān)系則不大。中頻采樣接收機(jī)具有一個長而窄的結(jié)構(gòu)，這是因為它需要兩個濾波器級，一個是SAW濾波器，另一個是ADC之前的抗混疊濾波器。因此，零中頻接收機(jī)只需一個濾波器，而中頻采樣接收機(jī)則需要兩個濾波器。

從性能和功耗兩方面比較這兩種架構(gòu)，在ADIsimRF中，對一個典型中頻采樣接收機(jī)所做的信號鏈分析，在此增益設(shè)置下，輸入IP3和噪聲系數(shù)分別為27.8 dBm和4.7 dB，功耗為2.2 W。

如果在ADIsimRF中仿真一個等效的零中頻接收機(jī)，輸入IP3大致相同，但噪聲系數(shù)為2.1 dB，相對較低。這主要是因為零中頻架構(gòu)中不存在高損耗SAW濾波器。功耗為3.17 W，相對較高?？梢园堰@歸因于需要兩個ADC和兩個基帶放大器來驅(qū)動它，相比之下，中頻采樣接收機(jī)中只需要一個。雖然中頻采樣ADC的功耗通常高于基帶采樣ADC，但由于需要兩個基帶ADC和兩個ADC驅(qū)動器，因此功耗優(yōu)勢不復(fù)存在。

然而，這里有一個因素未被考慮，那就是中頻采樣接收機(jī)所需的數(shù)字下變頻電路的功耗。這一因素可能會使兩種方法的功耗大致相當(dāng)。

若試圖去除中頻采樣接收機(jī)中的某些可集成器件。這里，有源混頻器集成了小數(shù)N分頻PLL和窄帶VCO。除了驅(qū)動混頻器以外，LO還能供外部使用。也可以由外部LO源驅(qū)動。

零中頻接收機(jī)無需IF SAW濾波器來抑制不良的帶內(nèi)和帶外信號。在零中頻接收機(jī)中，消除所有不良信號的任務(wù)落在ADC之前的抗混疊濾波器肩上。ADRF6561這款器件提供50dB的可變增益，以及以1dB步進(jìn)變化的1MHz~30MHz可編程濾波器帶寬，所有這些特性都在一個5mm×5mm LFCSP封裝內(nèi)實現(xiàn)。

發(fā)射信號鏈的演變

零中頻發(fā)射機(jī)的功能框圖如圖6所示。對于500MHz~6GHz范圍的無線電頻率，使用IQ調(diào)制器直接跳變到RF已非常流行。發(fā)射端采用零中頻比接收端更普遍，接收端仍以使用IQ解調(diào)器的中頻采樣或中頻到基帶轉(zhuǎn)換為主。

圖6 零中頻發(fā)射機(jī)的功能框圖

本例中，發(fā)射機(jī)還包括一個回送電路，它監(jiān)控功率放大器的失真，并向基帶中運(yùn)行的數(shù)字預(yù)失真算法提供反饋。這種配置不是真正的零中頻，而是所謂的復(fù)中頻，DAC輸出為112 MHz。因此，可以使用單個LO來驅(qū)動IQ調(diào)制器和回送混頻器。 如果使用集成PLL和VCO的IQ調(diào)制器，可以再進(jìn)一步，除了用于IQ調(diào)制器以外，還可以從芯片中引出LO信號以驅(qū)動DPD混頻器。

總結(jié)

首先，針對存在專用芯片組的常用無線標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計分立電路毫無疑問是不可取的。采用分立器件進(jìn)行設(shè)計時，我們擁有相當(dāng)大的靈活性，但要付出功耗更高的代價。使用直接變頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)可以節(jié)省空間，但與傳統(tǒng)收發(fā)器相比，功耗節(jié)省可能不大。

雙通道器件確實可以節(jié)省空間，但須確保通道間泄漏在合理范圍內(nèi)。如果一個集成VCO的PLL可提供合理水平的相位噪聲，那么這將是分立RF電路設(shè)計中最能節(jié)省空間的地方之一。

問答選編

問：ADI公司的RF信號鏈解決方案具體包括哪些內(nèi)容？

答：包括框架構(gòu)建、各組件選型、鏈路參數(shù)設(shè)計等。

問： RF信號鏈與以往的產(chǎn)品差別是什么呢？

答：考慮無線收發(fā)器的設(shè)計方法時，我們必須盡早決定是否以分立方式構(gòu)建電路。 要實現(xiàn)藍(lán)牙、Zigbee或GPS等常用無線電標(biāo)準(zhǔn)，采用分立方案意義不大。 同樣的道理，高度集成的芯片組除了它的本來的應(yīng)用外，幾乎沒有其他用處。一般從空間角度考慮，高度集成的芯片組較佳，但往往靈活性不足，而且性能低于采用分立器件實現(xiàn)的電路。這自然引出下面的問題：是否有一個兩全其美的解決方案？也就是說，它既有一定的集成度，可以節(jié)省空間，同時能為設(shè)計人員提供適當(dāng)?shù)撵`活性。

問：抗干擾問題怎么解決？在集成度較高的方案中，集成VCO的好處是什么？

答：對于集成度較高的方案而言，很多接口都是內(nèi)部實現(xiàn)的?？梢允∪チ送獠拷涌陔娐?，自然外圍電路就少了很多，集成VCO，可以讓客戶的設(shè)計省去了外圍的的VCO電路等。

問：在小芯片上實現(xiàn)高集成是否會導(dǎo)致各單元電路間的相互干擾？

答：電路干擾是肯定存在的，但是ADI的完整的芯片集成設(shè)計技術(shù)可以更好的降低干擾，使集成IC的性能可以滿足系統(tǒng)性能的指標(biāo)要求。

問：為了節(jié)約成本和降低體積，兼容各項3G標(biāo)準(zhǔn)，有一種新的可調(diào)諧技術(shù)，ADI公司在現(xiàn)有的產(chǎn)品是否有這方面的產(chǎn)品？

答：ADI寬帶的PLL產(chǎn)品ADF4350可以支持軟件調(diào)整頻率，ADI的寬帶調(diào)制器ADL5375和DVGA ADL5240/3可以支持寬帶工作，ADI的寬帶調(diào)諧混頻器ADL5811/2 可以支持軟件調(diào)整頻率和端口匹配。

問：請問高性能RF信號鏈的主要特性有哪些？

答：主要特性為更好的動態(tài)范圍，噪聲性能和諧波及雜散的抑制特性，以及靈活的接口和應(yīng)用性。目前，ADI新的產(chǎn)品基本采用差分信號，這樣很好的滿足了這些需求。

問：巴倫接口是指什么？

答：巴倫是BALUN的音譯，其含義是指平衡——不平衡變換器。巴倫實現(xiàn)的接口間轉(zhuǎn)換，及單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號，或?qū)⒉罘中盘栟D(zhuǎn)換為單端信號。

問：本振的性能怎樣？能否滿足RF信號鏈要求？

答：是可以滿足RF信號鏈的需求的。ADF4360是集成VCO的整數(shù)N分頻鎖相環(huán)產(chǎn)品，ADF4350是集成VCO的寬帶小數(shù)N分頻鎖相環(huán)產(chǎn)品，其頻率范圍從137MHz~4.4GHz。即將推出的還有ADF4351，將擁有更好的相噪性能和更寬的頻率輸出范圍。

問：RF解決方案在PCB設(shè)計時需要注意什么？

答：主要注意傳輸線特征阻抗的匹配，接地，電源去耦等因素。

問：在RF設(shè)計中，EMI方面主要考慮的是什么？

答： EMI設(shè)計是復(fù)雜系統(tǒng)問題，主要是良好接地和屏蔽，在本內(nèi)傳輸信號盡量功率小，例如我們現(xiàn)在的調(diào)制器和混頻器的本振需求功率很小，就可以使得本振傳輸功率變小，EMI風(fēng)險就會降低等。

問：集成的RF IC運(yùn)用于無線基站設(shè)備產(chǎn)品的距離受哪些因素影響？

答：對于無線信號傳輸距離，主要受到發(fā)射機(jī)發(fā)射功率、接收機(jī)接收靈敏度、射頻工作頻段、調(diào)制方式、編解碼方式等因素影響。

問：ADI高性能RF信號鏈對電源有特殊要求嗎？

答：射頻器件大都屬于敏感器件，因此為了擁有更好的性能，建議使用電源紋波小的電源，并注意電源去耦。在大功率器件使用中，要注意電源的驅(qū)動能力。

問：RF系統(tǒng)設(shè)計中如何綜合考慮ADC動態(tài)范圍、噪聲等因素？

答： ADI的網(wǎng)站上提供了一些列ADC設(shè)計指導(dǎo)的文檔，可計算出ADC等效的噪聲系數(shù)和IIP3特性，從而可以結(jié)合信號鏈一起進(jìn)行計算。ADC的動態(tài)一般我們器件手冊上都會有標(biāo)注，系統(tǒng)的動態(tài)一般等于ADC的動態(tài)加上前面AGC的動態(tài)，這是系統(tǒng)選擇AGC和ADC的一個依據(jù)。

問：ADI的RF方案在節(jié)能方面有什么優(yōu)勢？

答：ADI產(chǎn)品在保證性能的前提下，保證了較低的功耗，且器件大都具有Power-Down功能，以保證更低的功耗。

問：請問注入鎖定是什么？

答：注入鎖定是一種加快鎖定的方式，就是在PLL負(fù)反饋穩(wěn)定前，采用人為加一個電壓使得VCO的頻率預(yù)先到一個頻率，這樣就使得鎖定時間更短。