先進(jìn)的3G多頻段收發(fā)器實(shí)現(xiàn)了前端的高度集成

目前絕大多數(shù)的2G和2.5G蜂窩網(wǎng)都工作在RF頻譜中的四個(gè)頻段。由于這四個(gè)頻段是全球統(tǒng)一規(guī)劃的，這就意味著如果某個(gè)用戶攜帶他的手機(jī)到其他國家，手機(jī)的RF部分就很可能工作在不同的頻段或頻率上。這就需要手機(jī)設(shè)計(jì)提供多路開關(guān)和一些關(guān)鍵器件的并行配置，如功率放大器(PA)和聲表面波(SAW)濾波器。但由于技術(shù)的成熟度和2G市場的容量，還有先進(jìn)的分組技術(shù)以及集成的IC收發(fā)器設(shè)計(jì)，這些并行設(shè)計(jì)可使這類手機(jī)的成本和體積的增加減至最小。

圖1所示為典型的四頻段GSM收發(fā)器的設(shè)計(jì)架構(gòu)。通過集成，在信號(hào)鏈路上只需以下三片主要器件：1. 多帶PA和集成開關(guān)模塊；2. 四頻段Rx SAW濾波器組；3. 硅收發(fā)器。

3G的情況與所討論的以前的蜂窩系統(tǒng)有點(diǎn)類似。一開始分配給UMTS 3G系統(tǒng)的頻譜是第一頻段。這種情況下，所需的RF前端相對(duì)簡單，可以使用外部濾波器，從而不需要太大的成本和PCB面積的開銷。但是，由于不同地區(qū)和規(guī)定的限制，以及新頻譜的許可，使得目前全球共有10個(gè)頻段分配給3G網(wǎng)絡(luò)，不過這些頻段中部分存在交疊。現(xiàn)在2G網(wǎng)絡(luò)的用戶都能想到在外出旅游時(shí)能夠繼續(xù)使用他們的手機(jī)，那么3G用戶當(dāng)然也期望如此。這對(duì)于高端用戶尤其重要，無論是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)還是語音業(yè)務(wù)都是如此，因?yàn)檫@些用戶通常是商業(yè)用戶并且是3G技術(shù)的早期用戶。因此，需要更具成本效益的多頻段收發(fā)器設(shè)計(jì)。圖2所示為目前的頻段分配圖。一部典型的多頻段手機(jī)目前應(yīng)該能夠具有覆蓋所有三個(gè)頻段的能力，即一個(gè)低頻段和兩個(gè)高頻段。

實(shí)現(xiàn)所期望的多頻段功能的最簡單的方法是采用目前的單頻段收發(fā)器設(shè)計(jì)方案，即并行設(shè)置幾個(gè)前端模塊。射頻收發(fā)器電路極其相似，只是需要對(duì)外部匹配和RF濾波器進(jìn)行專門設(shè)計(jì)以適應(yīng)于手機(jī)所需的工作頻段。利用仔細(xì)的頻率規(guī)劃、寬帶PLL系統(tǒng)，以及亞微米CMOS工藝的高集成度，就可以很好地實(shí)現(xiàn)這種方案。但是，考慮到芯片成本、集成度、外部元器件數(shù)量以及RF收發(fā)器所占的PCB面積等因素，這種方案不是理想方案。圖3所示的就是這類方案的一個(gè)實(shí)際例子，只是為了簡化而去掉了GSM部分。

圖1：僅利用3只器件的四頻段GSM收發(fā)器的實(shí)例。

圖2：3GPP頻段頻率分配圖。

圖3：利用單頻段設(shè)計(jì)組合實(shí)現(xiàn)的3G多頻段收發(fā)器前端實(shí)例。

Othello-3系列的3G收發(fā)器采用了大膽的處理架構(gòu)，在這種架構(gòu)中掃清了與前端集成相關(guān)的各種障礙。其中最大的障礙就是需要外接濾波器，因?yàn)闉V波器限定了某工作頻段的輸入和輸出頻率范圍。在WCDMA這樣的全雙工系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同時(shí)工作，故在天線那里始終需要一個(gè)雙工濾波器，其目的是防止大功率的發(fā)射信號(hào)降低高靈敏度接收機(jī)的性能。但是由于電路的限制，對(duì)于前端設(shè)計(jì)來說，通常需要在各個(gè)發(fā)射和接收通道上設(shè)計(jì)額外的分離器件濾波器，如圖3所示。

發(fā)射機(jī)架構(gòu)

一個(gè)常見的超外差發(fā)射機(jī)架構(gòu)如圖4所示。

圖4：超外差發(fā)射機(jī)架構(gòu)。

濾波后的I/Q基帶輸入信號(hào)與正交的本振信號(hào)(LO)混頻，然后產(chǎn)生一個(gè)恒定的中頻(IF)信號(hào)，該中頻頻率通常位于兆赫級(jí)的低到中段。由于這是一個(gè)混合信號(hào)，故需要對(duì)其進(jìn)行濾波，去除寄生信號(hào)，本振信號(hào)以及諧波信號(hào)。再通過與一個(gè)可變頻率振蕩器進(jìn)行二次混頻，形成最終的所需信道所要求的RF輸出信號(hào)。增益控制被分配在不同部分。不過要想濾除無用的頻率，并確保滿足接收機(jī)頻段所需的噪聲和諧波指標(biāo)，使用一個(gè)外部的SAW濾波器能夠極大地緩解集成Tx通道的設(shè)計(jì)需求。經(jīng)過濾波的帶限單端輸出信號(hào)被送到PA和雙工器，從而完成了前端發(fā)射鏈。

Othello-3系列的3G收發(fā)器采用的是直接變頻或“零外差”發(fā)射機(jī)架構(gòu)，在這種架構(gòu)中，正交的基帶信號(hào)被直接上變頻到RF載波。這就省去了二次混頻，并省去了相關(guān)的RF寄生和各種無用頻率的濾波電路，使得去掉外部的濾波器變?yōu)榭赡堋２贿^，由于沒有Tx濾波器衰減，需要考慮其它方面的事情，主要是如前所述的接收機(jī)頻段的噪聲電平。

為了解決這一問題，Othello-3系列產(chǎn)品包括了一個(gè)特色的調(diào)制器核設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)中省去了LO通道的噪聲源，而傳統(tǒng)上該噪聲源是遠(yuǎn)離載波(例如接收機(jī)頻段)的各頻率上的主要調(diào)制噪聲。Othello-3的86dB的增益控制也被肢解集成到調(diào)制器核內(nèi)，從而省去了信號(hào)通道上的額外電路，從而減小了相關(guān)的噪聲貢獻(xiàn)。低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)貫穿整個(gè)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)的各個(gè)部分，因而無需額外的濾波就可以直接滿足帶外噪聲要求。這確保了在所有工作條件下性能最佳。校準(zhǔn)全部是自校準(zhǔn)而無需用戶輸入。調(diào)制器電路普遍來說與所有IC設(shè)計(jì)一樣，都采用全差分信號(hào)處理，然而，Othello-3還帶有一個(gè)巴倫，單端輸出阻抗為50歐，可以直接送往PA模塊，而不需要外部的匹配原件。

Othello-3發(fā)射通道還提供了優(yōu)異的誤差矢量幅度(EVM)和相鄰信道泄漏比(ACLR)性能。省去了發(fā)射通道上的外部SAW濾波器大大減少了材料成本和PCB面積，并為多頻段PA集成鋪平了道路，正如GSM市場上所見的那樣，一片PA封裝內(nèi)可以包括所有四個(gè)頻段。

直接變頻接收機(jī)

用在所有Othello收發(fā)器上的直接變頻接收機(jī)架構(gòu)，是一種優(yōu)異的和經(jīng)驗(yàn)證的收發(fā)器架構(gòu)，其原因是其高集成度。在GSM接收機(jī)中，整個(gè)接收信號(hào)鏈都可以被集成。對(duì)于發(fā)射機(jī)信號(hào)泄漏到接收機(jī)是個(gè)問題的3G系統(tǒng)來說，以前需要采用級(jí)間濾波器，如圖3所示。這就減小了關(guān)鍵的混頻級(jí)以前的發(fā)射信號(hào)泄漏。在低噪聲放大器(LNA)之后設(shè)置一個(gè)SAW濾波器，要確保濾波器損耗不能影響接收機(jī)靈敏度，不過這確是集成的一個(gè)障礙。

Othello-3包含三個(gè)LNA模塊，兩個(gè)適用于高頻段，一個(gè)用于低頻段。每個(gè)LNA有一個(gè)單端輸入，可以容易地與各自的雙工濾波器匹配。每個(gè)LNA包括一個(gè)最佳帶通響應(yīng)，以減小帶外信號(hào)的電平以及發(fā)射機(jī)信號(hào)到混頻級(jí)的泄露。Othello-3還采用了高線性度混頻器設(shè)計(jì)，從而不需要外部級(jí)間濾波器，如圖5所示。接收機(jī)增益控制被最佳分配到RF信號(hào)鏈和基帶處理的各級(jí)上。為了方便增益的可編程和校準(zhǔn)，Othello-3包括集成在內(nèi)部的增益分配邏輯?；鶐е恍枰酒袑懭胍粋€(gè)單增益字，就可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)最大動(dòng)態(tài)范圍條件下的最佳增益分配。

圖5：去掉了外部濾波器的AD6551前端架構(gòu)。

上面所述的例子說明了3G RF器件的集成，而供應(yīng)商還在試制天線開關(guān)模塊，其中包含所有的前端模式和帶有GSM Rx SAW濾波器組的集成波段開關(guān)。

ADI Othello-3收發(fā)器目前由AD6551組成，最適用于WCDMA 3G手機(jī)，而AD6552適用于3G TD-SCDMA模式。這兩款器件都可用于3GPP版本5以及HSDPA工作模式。

本文小結(jié)

目前的單模式2G手機(jī)，只利用3個(gè)主要的芯片封裝，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)四頻段射頻方案。該方案具有最小的空間并且具有所需的設(shè)計(jì)功能。初期的3G手機(jī)被限制到單頻段模式，依賴于外部濾波器來滿足指標(biāo)，但這種架構(gòu)對(duì)于多頻段手機(jī)設(shè)計(jì)方案來講，無論是尺寸還是成本上都不是最佳的選擇。Othello-3省去了外部濾波器，從而使得在目前的3G收發(fā)器設(shè)計(jì)中能夠?qū)崿F(xiàn)前端器件和PA的進(jìn)一步集成。隨著集成技術(shù)和開關(guān)設(shè)計(jì)方面的進(jìn)展，越來越多的前端器件可以逐步被集成，但利用Othello-3這樣的收發(fā)器，可以實(shí)現(xiàn)全部優(yōu)化的多模架構(gòu)。

作者：Mike Durrant

RF應(yīng)用工程師

ADI公司