全集成CMOS GSM射頻收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

作為目前在世界上使用最為廣泛的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，自從九十年代開始在全球大規(guī)模商用以來，GSM一直展示出強(qiáng)大的生命力。不管是在GSM的發(fā)源地歐洲，還是在移動(dòng)通信的新興市場(chǎng)亞洲、非洲，GSM系統(tǒng)都擁有最為成熟和完善的產(chǎn)業(yè)鏈和用戶群，涵蓋了系統(tǒng)、終端、設(shè)備、軟件、測(cè)試等等領(lǐng)域。隨著GPRS、EDGE等可以進(jìn)一步豐富GSM數(shù)據(jù)應(yīng)用的技術(shù)開始應(yīng)用，在今后的相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，GSM憑借廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、可靠的通信質(zhì)量、低廉的資費(fèi)，必將構(gòu)造和3G標(biāo)準(zhǔn)共存雙贏的格局。

手機(jī)終端作為和用戶接觸最為緊密的產(chǎn)品，其價(jià)格、性能、體積、節(jié)能是用戶在選購(gòu)時(shí)的首要考慮因素。于是手機(jī)終端設(shè)計(jì)廠商在比較各種解決方案時(shí)，集成度、性能、功耗都是重要的參考因素。
手機(jī)終端中最重要的核心是射頻芯片和基帶芯片，射頻芯片負(fù)責(zé)射頻收發(fā)、頻率合成、功率放大；基帶芯片負(fù)責(zé)信號(hào)處理和協(xié)議處理。最早期的GSM終端，射頻部分都是使用雙極工藝的分立元件，需要超過70顆芯片和元器件，面積大、成本高。隨著九十年代末期CMOS射頻工藝的進(jìn)步和成熟，使用和數(shù)字工藝兼容的CMOS工藝制造高性能、高集成度的射頻芯片逐步成為潮流。

RDA6205芯片基本特性

RDA6205是由銳迪科微電子研發(fā)的收發(fā)器芯片，這是一款高性能、全集成CMOS GSM收發(fā)器芯片，封裝后芯片尺寸只有5mm×5mm。該芯片中集成了LNA、混頻器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、DSP、PLL頻率合成器和模擬基帶接口。只需少量外圍元件，就能構(gòu)成完整的射頻子系統(tǒng)，并且可以通過內(nèi)置的通用模擬基帶接口和市場(chǎng)主流的多種基帶芯片通信。

作為一款全集成的GSM射頻收發(fā)器芯片，RDA6205有著優(yōu)異的射頻性能，其GSM頻段接收靈敏度達(dá)-108dBm，遠(yuǎn)超過GSM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-102dBm；其發(fā)射頻譜400kHz的ACPR達(dá)到-70dBc，比同類產(chǎn)品提高了3~5dB。

RDA6205芯片同時(shí)支持?jǐn)?shù)字補(bǔ)償晶振(DCXO)，使得整個(gè)系統(tǒng)可以非常魯棒地抵御溫度變化帶來的頻率漂移，進(jìn)而滿足發(fā)射接收頻偏＜0.1ppm這樣苛刻的GSM標(biāo)準(zhǔn)要求。而在傳統(tǒng)方案中，用戶為了達(dá)到這個(gè)目的，不得不選擇昂貴的溫補(bǔ)晶振(TCXO)。

RDA6205芯片工作原理

RDA6205原理框圖如圖1所示。



圖1：RDA6205的功能模塊圖

當(dāng)RDA6205芯片工作在接收模式時(shí)，需要將任意強(qiáng)度的射頻信號(hào)變成基本恒定強(qiáng)度的基帶信號(hào)，然后送給基帶芯片。微弱的射頻信號(hào)，通過差分端口輸入芯片，首先進(jìn)入前端的LNA，LNA在不引入太大額外噪聲的條件下，可以將輸入信號(hào)放大20dB，大大降低接收鏈路其它電路對(duì)自身噪聲的要求。隨后信號(hào)進(jìn)入正交下變頻混頻器，下變頻到100kHz的近零中頻。由于在現(xiàn)實(shí)復(fù)雜的GSM空中網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，我們期望接收的信號(hào)附近往往存在著很大的干擾信號(hào)(block signal)，所以經(jīng)過正交下變頻后的信號(hào)，需要通過一個(gè)中心頻率在100kHz的復(fù)數(shù)帶通濾波器，濾除帶外的干擾信號(hào)。完成濾波操作后的信號(hào)直接送到高精度高動(dòng)態(tài)范圍的Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，被轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。

RDA6205內(nèi)置了一個(gè)功能強(qiáng)勁的專用DSP單元，從ADC送出的數(shù)字信號(hào)，將在這里進(jìn)行數(shù)字下變頻、直流偏移消除(DC cancel)、頻率選擇濾波等功能。隨后，處理好的信號(hào)通過一個(gè)可靈活編程的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)送給基帶芯片的模擬接口。

RDA6205的整個(gè)接收鏈路增益靈活可調(diào)，最大可以提供超過100dB的增益范圍，在基帶芯片的AGC策略下，RDA6205可以在保證足夠信躁比的同時(shí)，輕松處理從-102dBm到-15dBm各種強(qiáng)度的射頻輸入信號(hào)。當(dāng)RDA6205芯片工作在發(fā)射模式時(shí)，需要將基帶芯片送來的模擬基帶信號(hào)，變成射頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)射頻前端功率放大器(PA)發(fā)射出去。

由于GSM標(biāo)準(zhǔn)采用了GMSK這樣恒定包絡(luò)調(diào)制方式，所有有用的信息都是攜帶在射頻信號(hào)的相位域上，所以RDA6205使用了先進(jìn)的直接調(diào)制發(fā)射結(jié)構(gòu)(Direct Modulation)。

基帶芯片輸入的模擬基帶信號(hào)，首先被RDA6205芯片中的ADC采樣量化，然后判決出其中攜帶的相位調(diào)制信息，將此相位調(diào)制信息進(jìn)行微分處理，然后通過Δ-Σ PLL，將調(diào)制信息疊加到當(dāng)前的載波頻率值上，這樣PLL輸出的本振信號(hào)就是已經(jīng)調(diào)制過的射頻發(fā)射信號(hào)。PLL輸出的射頻調(diào)制信號(hào)通過功率放大器驅(qū)動(dòng)模塊，可以直接驅(qū)動(dòng)50Ω的功率放大器。

RDA6205通過采用先進(jìn)的發(fā)射結(jié)構(gòu)，獲得了優(yōu)異的發(fā)射頻譜指標(biāo)，其在400kHz點(diǎn)的ACPR指標(biāo)，比傳統(tǒng)方案提高了3~5dB。

RDA6205芯片應(yīng)用

如圖2所示，RDA6205可以和多種市場(chǎng)主流的基帶芯片配合，實(shí)現(xiàn)GSM的整體解決方案，設(shè)計(jì)出體積小巧、性能優(yōu)異、成本低廉的GSM用戶終端。



圖2：RDA6205典型應(yīng)用圖

得益于RDA6205的高集成度，整個(gè)終端解決方案的射頻部分，只包括射頻天線、功放開關(guān)模塊、射頻聲表面波濾波器(SAW)和少量的分產(chǎn)元件，不僅大大降低了元件成本，而且減少了射頻PCB的設(shè)計(jì)難度。

同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的超外差方案，應(yīng)用RDA6205的GSM用戶終端，由于射頻部分的分立元件少、集成度高，從天線接收下來射頻信號(hào)，通過前端開關(guān)后，就直接進(jìn)入RDA6205芯片內(nèi)部，所有的模擬信號(hào)處理過程都在芯片內(nèi)部完成，避免了PCB上的各種干擾信號(hào)對(duì)射頻電路的直接影響，大大提高了整個(gè)射頻系統(tǒng)的抗干擾性能。

而傳統(tǒng)的超外差方案，由于不得不使用中頻濾波器等外圍元件，不僅在PCB的面積上受到很大限制，而且由于比較敏感的中頻信號(hào)在片外的PCB上容易受到干擾，對(duì)PCB的設(shè)計(jì)和制造工藝都有較高的要求，容易造成量產(chǎn)中整機(jī)良率的下降。

隨著FM、DVB、MP3、MP4等等多媒體應(yīng)用在終端的進(jìn)一步普及，以及用戶對(duì)終端小型化、多功能化需求的進(jìn)一步上升，使用全集成RDA6205的手機(jī)應(yīng)用將在未來的市場(chǎng)中大放異彩。