接收器IC混合式混頻器、頻率合成器和IF放大器

無線基站曾經(jīng)封裝在采用氣候控制技術(shù)的大型空間中，但現(xiàn)在卻可以裝在任意地方。隨著無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商試圖實(shí)現(xiàn)全域信號覆蓋，基站組件提供商面臨壓力，需要在更小的封裝中提供更多的功能。

來自ADI公司的一對集成電路(IC)提供了一種解決方案，重新界定了接收器前端混頻器的意義。實(shí)際上，該IC在混頻器IC內(nèi)部集成了曾經(jīng)附加于接收器內(nèi)混頻器的許多組件，比如，本振(LO)和中頻(IF)放大器。利用這些IC，可以大幅減少蜂窩基站的大小，同時還能帶來軟件定義無線電(SDR)的靈活性，從而應(yīng)對多種不同的無線標(biāo)準(zhǔn)。

這里涉及的IC的型號是ADRF6612和ADRF6614，根據(jù)設(shè)計二者支持的RF范圍為700 Mhz至3000 MHz，LO范圍為200 Mhz至2700 MHz，IF范圍為40 Mhz至500 MHz。它們支持低端或高端LO注入，包括一個板載鎖相環(huán)(PLL)和多個低噪聲電壓控制振蕩器(VCO)，全部封裝在7 mm × 7 mm 48引腳的LFCSP外殼中。超高的集成度和組件密度，加上多樣性和可編程能力，可以支持多種不同的無線標(biāo)準(zhǔn)，完全滿足現(xiàn)代微蜂窩的小批量生產(chǎn)需求。

為了更好地理解這些高度集成的混頻器IC在節(jié)省空間方面的優(yōu)勢，不妨回憶一下2010年左右時的蜂窩基站的前端，如圖1所示。雙混頻器架構(gòu)的帶寬范圍約為1 Ghz，需要多個組件來處理當(dāng)時的蜂窩頻率范圍，即800 MHz至1900 MHz。頻率合成由一個獨(dú)立的PLL和窄帶VCO模塊提供，需要用一個特有的PLL環(huán)路濾波器才能實(shí)現(xiàn)最佳性能。每個目標(biāo)頻段均采用專門的VCO模塊，結(jié)果增加了基站內(nèi)需要的電路板面積。

另外，這些分立式組件是通過低阻抗傳輸線路相互連接起來的，結(jié)果會增加信號損失。結(jié)果，需要很大的電流把VCO輸出驅(qū)動到足夠的電平，以便混頻器能在信號阻塞條件下產(chǎn)生低相位噪聲和噪聲系數(shù)。

集成VCO的接收器IC并非新事物。但要實(shí)現(xiàn)多載波要求的寬帶寬和低相位噪聲，全球移動通信系統(tǒng)(MC-GSM)無線網(wǎng)絡(luò)一直是個挑戰(zhàn)。GSM的信道復(fù)用方案要求接收LO具有極低的相位噪聲，尤其是在相間通道失調(diào)頻率為800 kHz的情況下，如圖2所示。如果這些相間通道的多余相位噪聲與同樣處于800 kHz失調(diào)條件下的無用信號相混合，則可能使相位噪聲轉(zhuǎn)換成IF輸出，從而降低系統(tǒng)的靈敏度。

圖1 框圖所示為2010左右時的典型蜂窩基站

圖2 信道復(fù)用方案要求在GSM無線系統(tǒng)中采用低相位噪聲的寬帶寬VCO，避免因阻塞導(dǎo)致性能下降

低VCO相位噪聲通常是通過高質(zhì)量因數(shù)（高Q）諧振器和窄帶設(shè)計實(shí)現(xiàn)的。頻分也能降低噪聲。通過使VCO工作于接收器LO頻率的整數(shù)倍，隨后進(jìn)行的分頻即可使相位噪聲降低一個6 dB/倍頻程，如圖3所示。GSM在1800 Mhz至1900 Mhz頻段內(nèi)的相位噪聲要求極高，其嚴(yán)重程度大約相當(dāng)于800 Mhz至900 Mhz頻段內(nèi)相位噪聲的兩倍。

圖3 該VCO電路配置可實(shí)現(xiàn)倍頻程帶寬

在低相位噪聲以外，現(xiàn)代基站接收器設(shè)計必須支持無線通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前使用的多種調(diào)制方案。除GSM以外，其他調(diào)制方案包括寬帶碼分多址(WCDMA)和長期演進(jìn)(LTE)系統(tǒng)。接收器設(shè)計通常包括若干不同的VCO，其相位噪聲性能配置為中等水平，通過組合的方式滿足基站倍頻程帶寬需求。

一旦將若干個VCO配置為在最高工作頻率下產(chǎn)生一個倍頻程帶寬，則可用二分頻實(shí)現(xiàn)較低的LO頻率。ADRF6612接收器混頻器采用的就是這種方法，其中，VCO基頻范圍為2.7 Ghz至5.6 Ghz，通過從1至32分頻，兩級頻分實(shí)現(xiàn)200 Ghz至2700 Mhz的LO頻率。對于同時包括MC-GSM的應(yīng)用，ADRF6614接收器混頻器包括兩個額外的高性能VCO內(nèi)核，用于提供1800 Mhz至1900 MHz GSM頻段所需要的LO頻率。

由于現(xiàn)代無線微蜂窩可能不具備氣候控制環(huán)境的優(yōu)勢，所以這些接收器IC一類的組件可在較寬的極限溫度范圍內(nèi)提供一致、可靠的性能。為了在較寬的工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的性能，ADRF6612和ADRF6614 IC中的PLL和VCO采用了多種校準(zhǔn)技術(shù)。

對于低噪聲寬帶寬，每個VCO內(nèi)核采用一個8位的容性數(shù)模轉(zhuǎn)換器(CDAC)，后者可以為給定的LO頻率選擇正確的頻段（128選1）。系統(tǒng)會仔細(xì)監(jiān)控VCO諧振器幅度的任何變化，并用自動電平控制(ALC)系統(tǒng)調(diào)整幅度，以獲得最佳輸出幅度。每個IC都會在工作頻率被重新編程的時候執(zhí)行校準(zhǔn)序列。這樣可以確保所選頻段將VCO調(diào)諧變?nèi)荻O管的調(diào)諧電壓集中于最佳范圍內(nèi)，使頻率合成器在所需工作溫度范圍保持鎖定。

每個ADRF6612和ADRF6614 IC中的四個VCO內(nèi)核可以確保其工作范圍具有合適的重疊性，能適應(yīng)不同的環(huán)境條件和器件制造容差。對于環(huán)境和工藝差異，內(nèi)核一般會以相同的方向移動頻率，因而內(nèi)建了充足的重疊機(jī)制，使得頻率合成器能夠始終實(shí)現(xiàn)鎖定條件。

一旦確定校準(zhǔn)方案，就可以無限地維持頻率，調(diào)諧電壓范圍支持需要的同步范圍。在時分雙工(TDD)系統(tǒng)中，基站可能根據(jù)不同的時隙改變頻率，其工作時間可能按微秒計。在頻分雙工(FDD)系統(tǒng)中，可能需要多年鎖定單個頻率。

在ADRF6612和ADRF6614 IC系統(tǒng)工作期間，任何時候都不允許出現(xiàn)故障停機(jī)事故。因此，溫度變化和組件老化效應(yīng)通過VCO的變?nèi)菡{(diào)諧電壓范圍和頻率調(diào)諧靈敏度(kV)來處理，溫度范圍有可能達(dá)145°C。每個IC會根據(jù)需要持續(xù)監(jiān)控器件溫度并調(diào)整VCO偏置。

ADRF6612和ADRF6614 Ic采用一種獨(dú)特方法，最大限度地減輕由雜散信號產(chǎn)物導(dǎo)致的接收器靈敏度下降問題。利用頻率合成器的整數(shù)模式和緊湊環(huán)路濾波器可使參考雜散產(chǎn)物低至?100 dBc以下。最小雜散信號對調(diào)制方案至關(guān)重要，如MC-GSM。對于LTE和其他調(diào)制方案，或者在需要精細(xì)的頻率階躍的情況下，頻率合成器可以工作于小數(shù)N分頻模式。參考路徑集成一個13位分頻器，整數(shù)和小數(shù)路徑各自集成16位分頻器，具有極大的靈活性。

對于需要共置相位跟蹤接收通道的應(yīng)用中，如多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)，可以通過菊花鏈方式將ADRF6612和ADRF6614 IC級聯(lián)起來，以便允許其中一個單元作為主頻率合成器，分別通過其外部LO輸出和輸入端口為其他從機(jī)接收器供電。這樣，就可以最大限度地降低額外LO分配放大器及其相位噪聲相應(yīng)增大的程度。

為了同時支持高端和低端LO注入，每個IC的LO鏈提供了靈活的信號處理，如圖4所示。使用1至32的整數(shù)分頻比，即使是700 Mhz頻段和高IF，也可實(shí)現(xiàn)低端注入。LO級在從200 Mhz至2700 Mhz的整個LO范圍內(nèi)，同時為無源混頻器內(nèi)核提供一個方波驅(qū)動。¹

圖4 本LO信號鏈用于支持無線基站接收器

現(xiàn)代無線基站帶內(nèi)信號在頻率上接近低電平輸入信號，因而蜂窩接收器可以充當(dāng)阻塞信號。在這種情況下，在目標(biāo)信號之上，來自阻塞信號附近LO放大器的相位噪聲被混頻進(jìn)IF輸出頻段。這樣會提高噪底，有時能大幅降低接收器的信噪比(SNR)。

由于阻塞信號可能較大（高功率），所以VCO相位噪聲必須極低，并且LO鏈不會在阻塞器失調(diào)條件下降低噪底。在這些超高的阻塞電平下，接收器噪聲系數(shù)會最終被阻塞信號主導(dǎo)，并根據(jù)阻塞器功率水平的高低下降。

在分立式接收鏈方案中，可以在LO路徑上引入一些濾波機(jī)制，以在阻塞器失調(diào)條件下，最大限度地降低來自VCO和LO分配放大器的相位噪聲。然而，在集成式前端中，必須謹(jǐn)慎，避免LO鏈中的加性相位噪聲。

ADRF6612和ADRF6614 IC采用高增益LO鏈和硬限幅放大器以將LO鏈驅(qū)動至限幅。當(dāng)每個級進(jìn)入硬限幅時，在其他情況下會增大相位噪聲的LO鏈小信號增益將大幅下降，從而將阻塞條件下的噪聲系數(shù)下降問題減至最低。

來自阻塞信號的噪聲折疊會降低接收器輸出噪聲頻譜性能，提高輸出噪底，從而降低接收器噪聲系數(shù)。根據(jù)設(shè)計，ADRF6612和ADRF6614接收器IC可在最大限度減小接收器噪聲系數(shù)降幅的條件下承受較大的阻塞信號，如圖5所示。即使輸入阻塞電平為10 dBm，在載波失調(diào)10 MHz條件下，接收器的噪聲系數(shù)也只會下降3.2 dB，即使轉(zhuǎn)換增益在極端阻塞電平下縮減1 dB，亦是如此。

這些接收器IC具有超高的集成度，因而對現(xiàn)代無線基站設(shè)計師來說，可以大幅提升性能，節(jié)省DC功耗，如圖6所示。IC采用一種技術(shù)，可以同時優(yōu)化片上混頻器周圍的RF和IF級。²

該技術(shù)首次用于ADRF6612，在整個溫度范圍內(nèi)和整個頻率范圍內(nèi)以及低功耗條件下，最低IIP3超過25 dBm，在整個溫度范圍內(nèi)，為29 dBm至2 GHz。該技術(shù)還具有最佳接收路徑噪聲系數(shù)性能和高轉(zhuǎn)換增益，如圖7所示。^3,4

圖5 本圖比較了ADRF6614接收器IC在低電平和高電平阻塞信號(分別為左側(cè)和右側(cè))下的輸出噪聲頻譜

圖6 本信號鏈所示為典型無線基站接收器中采用的組件

圖7 圖中所示為ADRF6612接收器IC的實(shí)測增益、噪聲系數(shù)和輸入三階交調(diào)截點(diǎn)(IIP3)。

致謝

隨著完整接收器鏈內(nèi)在集成度的提高，開發(fā)團(tuán)隊的規(guī)模也大幅增加。雖然這里無法列出為本文做出貢獻(xiàn)的全體人員，但本文作者非常榮幸地向下列行業(yè)專家表示由衷的謝意：Kurt Fletcher和Dominic Mai花了大量時間以實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的布局并保持對稱，避免無用耦合。Vincent Bu與我們的供應(yīng)商密切配合，開發(fā)必要的封裝。Susan Stevens與外部代工合作伙伴維持了良好的工作關(guān)系。Craig Levy和Rachana Kaza為這些器件開發(fā)了生產(chǎn)測試功能。Wendy Dutile、Ed Gorzynski和Chris Norcross都參與了測試電路的大量原型制作工作。Mark Hyslip負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)，使得本項目得以成型。本文作者希望以本文紀(jì)念我們的同事，Edward J. Gorzynski。

參考文獻(xiàn)

1 Marc Goldfarb, Russel Martin, and Ed Balboni.“ Novel Topology Supports Wideband Passive Mixers .”（新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持寬帶無源混頻器）Microwaves & RF，第90頁，2011年10月。

2 Marc Goldfarb.“ Apparatus and Method for a Wideband RF Mixer .”（寬帶RF混頻器裝置和方法）ADI公司，2012年。

ADRF6612數(shù)據(jù)手冊 。ADI公司，2016。

ADRF6614數(shù)據(jù)手冊 。ADI公司，2016。

作者簡介

Tom Bosia于2013年加盟ADI公司，擔(dān)任RF產(chǎn)品工程師。加盟ADI公司之前，在Raytheon、Cree和Auriga Microwave等公司擔(dān)任RF測試工程師，在微波半導(dǎo)體領(lǐng)域積累了超過25年的經(jīng)驗。2001年獲得麻省大學(xué)羅威爾分校電氣工程學(xué)士學(xué)位。

Russell Martin于2002年加盟ADI公司，任產(chǎn)品工程師，負(fù)責(zé)IC產(chǎn)品的市場發(fā)布工作達(dá)15年；后來成為ADI公司RF和微波部門(RFMG)的工程經(jīng)理。2002年畢業(yè)于伍斯特理工學(xué)院，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位。

Marc Goldfarb在模擬、RF和微波集成電路領(lǐng)域擁有超過35年的設(shè)計經(jīng)驗，涉及軍事、工業(yè)和消費(fèi)電子等應(yīng)用。他曾從事過SiGe/硅、GaAs和微波混合集成電路技術(shù)等工作。加盟ADI公司之前，Marc曾在Pacific Communications Sciences, Inc. (PCSI)、Raytheon和M/A-COM Microwave Associates公司工作，歷任多個工程職位。他畢業(yè)于紐約特洛伊倫斯勒理工學(xué)院，獲工程碩士學(xué)位；獲13項專利，在參考類資料和行業(yè)期刊上發(fā)表論文多篇。

Marc目前是RF和微波部門(RFMG)的一名設(shè)計工程師，主要負(fù)責(zé)無線基礎(chǔ)設(shè)施RF IC開發(fā)工作；目前擔(dān)任多個5G通信基礎(chǔ)設(shè)施(5G IC)項目的設(shè)計組組長。

Dragoslav Culum是ADI公司的產(chǎn)品線經(jīng)理。他在無線通信領(lǐng)域擁有超過10的工作經(jīng)驗。2014年，在Hittite并購?fù)瓿珊螅珼ragoslav加盟ADI。他于2008年加盟Hittite，并歷任多個職位，包括應(yīng)用工程師、營銷工程師和多個產(chǎn)品系列的產(chǎn)品線經(jīng)理。Dragoslav分別從麥克馬斯特大學(xué)和卡爾頓大學(xué)獲工程學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位。

Ben Walker于2003年和2004年分別獲得麻省理工學(xué)院的工程學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位。2004年以來，他一直在ADI公司RF和微波部門工作，參與了面向無線基礎(chǔ)設(shè)施市場的多種電路設(shè)計工作。Ben的興趣包括鎖相環(huán)、電壓控制振蕩器和RF開關(guān)及衰減器設(shè)計。

Ed Balboni在高性能、高集成度無線電收發(fā)器電路設(shè)計領(lǐng)域擁有30年經(jīng)驗。他擅長基于SiGe BiCMOS、雙極性和CMOS技術(shù)設(shè)計面向通信產(chǎn)品的微波、RF、混合信號和模擬電路。Ed于2000年加盟ADI公司，在RF IC設(shè)計部門擔(dān)任IC設(shè)計師和設(shè)計經(jīng)理。他在ADI負(fù)責(zé)開發(fā)支持無線基礎(chǔ)設(shè)施的高性能RF IC組件，包括蜂窩基站和點(diǎn)對點(diǎn)微波。

加盟ADI之前，Ed曾在麻省劍橋的Draper實(shí)驗室工作，負(fù)責(zé)MEMS慣性傳感器和低功耗通信電子元器件的設(shè)計。Ed 1985年畢業(yè)于麻省大學(xué)洛威爾分校，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位，1990年畢業(yè)于東北大學(xué)，獲電氣工程碩士學(xué)位。

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