在滿足宏蜂窩基站性能要求的前提之下，集成度究竟能夠達(dá)到多高? 工藝技術(shù)仍然限定某些重要的功能部件必須采用特殊工藝來制造：在射頻(RF)領(lǐng)域采用GaAs和SiGe工藝，高速ADC采用細(xì)線CMOS工藝，而高品質(zhì)因數(shù)(High-Q) 濾波器則無法采用半導(dǎo)體材料很好地實(shí)現(xiàn)。此外，市場(chǎng)對(duì)于提高集成度的需求并沒有停止。

考慮到上述問題，凌力爾特決定采用系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)技術(shù)來開發(fā)占板面積約為1/2平方英寸(僅剛剛超過3cm2)的接收器。接收器的邊界處有50Ω RF輸入、50Ω LO輸入、ADC時(shí)鐘輸入及數(shù)字ADC輸出。該邊界留待增加低噪聲放大器(LNA)和RF濾波，用于輸入、LO和時(shí)鐘發(fā)生，以及數(shù)字輸出的數(shù)字處理。在15×22mm封裝內(nèi)是一個(gè)采用SiGe高頻組件、分立無源濾波和細(xì)線CMOS ADC的信號(hào)鏈路。

本文將對(duì)LTM9004微型模塊(µModule)接收器(一款直接轉(zhuǎn)換接收器)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)目標(biāo)是通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)上行鏈路頻分雙工(FDD)系統(tǒng)，特別是處于工作頻段I的中等覆蓋范圍基站(詳見3GPP TS25.104 V7.4.0規(guī)范)。對(duì)于接收器而言，靈敏度是一個(gè)主要的考慮因素，輸入信噪比(SNR)為-19.8dB/5MHz時(shí)，所要求的靈敏度≤-111dBm。這意味著接收器輸入端的有效噪聲層必須≤-158.2dBm/Hz。

設(shè)計(jì)分析：零IF或直接轉(zhuǎn)換接收器

LTM9004是一款采用了I/Q解調(diào)器、基帶放大器和雙通道14位125Msps ADC的直接轉(zhuǎn)換接收器。LTM9004-AC低通濾波器在9.42MHz頻率下具有一個(gè)0.2dB的拐角，從而允許4個(gè)WCDMA載波。LTM9004可與RF前端一起使用，構(gòu)成一個(gè)完整的UMTS頻段上行鏈路接收機(jī)。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)和陶瓷帶通濾波器組成。為最大限度地減低增益和相位失衡，基帶鏈路采用了一種固定增益拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，在LTM9004之前需要布設(shè)一個(gè)RF可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)。

LTM9004微型模塊(µModule)接收器評(píng)估板。

考慮到RF前端的有效噪聲影響，由LTM9004所引起的最大可容許噪聲必須為-142.2dBm/Hz。LTM9004的典型輸入噪聲為-148.3dBm/Hz，由此計(jì)算出的系統(tǒng)靈敏度為-116.7dBm。

通常，此類接收器可受益于ADC之后的某些數(shù)字化信號(hào)之DSP濾波。在這種情況下，假設(shè)DSP濾波器是一個(gè)具有α=0.22的64抽頭RRC低通濾波器。為了在出現(xiàn)同信道干擾信號(hào)的情況下工作，接收器在最大靈敏度下必須擁有足夠的動(dòng)態(tài)范圍。UMTS規(guī)范要求最大同信道干擾為-73dBm。請(qǐng)注意，對(duì)一個(gè)具有10dB峰值因數(shù)的已調(diào)制信號(hào)而言，在LTM9004的IF通帶之內(nèi)，-1dBFS的輸入電平為-15.1dBm。在LTM9004輸入端，這相當(dāng)于-53dBm，或者-2.6dBFS的數(shù)字化信號(hào)電平。
 
當(dāng)RF自動(dòng)增益控制(AGC)設(shè)定為最小增益時(shí)，接收器必須能從手機(jī)中解調(diào)出預(yù)計(jì)所需的最大信號(hào)。這種要求最終將LTM9004必須提供的最大信號(hào)之大小設(shè)定在-1dBFS或其以下。規(guī)范中所要求的最小路徑損耗為53dB，且假定手機(jī)的平均功率為+28dBm。那么在接收器輸入端，最大信號(hào)電平即為-25dBm。這等效于-14.6dBFS的峰值。

UMTS系統(tǒng)規(guī)范中詳細(xì)說明了幾種阻斷信號(hào)。在存在此類信號(hào)的情況下只允許進(jìn)行規(guī)定了大小的減敏，靈敏度指標(biāo)為-115dBm。其中的第一種是一個(gè)相距5MHz的相鄰信道，其電平為-42dBm。數(shù)字化信號(hào)電平的峰值為-11.6dBFS。

DSP后處理將增加51dB抑制，因此，這個(gè)信號(hào)在接收器輸入端相當(dāng)于一個(gè)-93dBm的干擾信號(hào)。最終的靈敏度為-112.8dBm。

而且，接收器還必須與一個(gè)相隔≥10MHz的-35dBm干擾信道競(jìng)爭(zhēng)。μModule接收器的IF抑制將使這個(gè)干擾信道衰減至相當(dāng)于峰值為-6.6dBFS的數(shù)字化信號(hào)電平。經(jīng)過DSP后處理，其在接收器輸入端上相當(dāng)于-89.5dBm，最終的靈敏度為-109.2dBm。另外，還必須考慮到帶外阻斷信號(hào)，但這些帶外阻斷信號(hào)的電平與已經(jīng)討論過的帶內(nèi)阻斷信號(hào)相同。

在所有這些場(chǎng)合中，LTM9004的-1dBFS典型輸入電平均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最大預(yù)期信號(hào)電平。請(qǐng)注意，已調(diào)制信道的峰值因數(shù)將大約在10dB-12dB，因此，在LTM9004的輸出端上，其中最大的一個(gè)將達(dá)到約6.5dBFS的峰值功率。

最大的阻斷信號(hào)是-15dBm連續(xù)波(CW)音調(diào) (超過接收頻段邊緣≥20MHz)。RF前端將對(duì)這個(gè)音調(diào)提供37dB抑制，因此，它出現(xiàn)在LTM9004的輸入端時(shí)將為-32dBm。此時(shí)，這種電平值的信號(hào)仍然不允許降低基帶μModule接收器的靈敏度。等效的數(shù)字化電平峰值僅為-41.6dBFS，因此對(duì)靈敏度沒有影響。

另一個(gè)不想要的干擾信號(hào)功率源來自發(fā)送器的泄漏。因?yàn)檫@是一種FDD應(yīng)用，所以此處描述的接收器將與一個(gè)同時(shí)工作的發(fā)送器相耦合。該發(fā)送器的輸出電平假定為≤+38dBm，同時(shí)“發(fā)送至接收”的隔離為95dB。那么，在LTM9004輸入端上出現(xiàn)的泄漏為-31.5dBm，相對(duì)于接收信號(hào)的偏移至少為130MHz。等效的數(shù)字化電平峰值僅為-76.6dBFS，因此不會(huì)降低靈敏度。

直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)的一個(gè)挑戰(zhàn)是二階線性度。二階線性度不理想將允許任何期望的或不期望的信號(hào)進(jìn)入，這將引發(fā)基帶上的DC失調(diào)或偽隨機(jī)噪聲。如果這種偽隨機(jī)噪聲接近接收器的噪聲電平，那么上面詳細(xì)討論過的那些阻斷信號(hào)將降低靈敏度。在這些阻斷信號(hào)存在的各種情況下，系統(tǒng)規(guī)范都允許靈敏度降低。按照系統(tǒng)規(guī)范的規(guī)定，-35dBm阻斷通道可以使靈敏度降至-105dBm。如上文中看到的那樣，這種阻斷信號(hào)在接收器輸入端上構(gòu)成了一個(gè)-15dBm的干擾信號(hào)。LTM9004輸入所產(chǎn)生的二階失真大約比熱噪聲低16dB，結(jié)果，預(yù)測(cè)的靈敏度為-116.6dBm。

-15dBm的CW阻斷信號(hào)還將導(dǎo)致二階分量；在這種情況下該分量是一個(gè)DC失調(diào)。DC失調(diào)是不希望有的，因?yàn)樗鼫p小了A/D轉(zhuǎn)換器能夠處理的最大信號(hào)。一種減輕DC失調(diào)影響的可靠方法是，確保基帶μModule接收器的二階線性度足夠高。在ADC的輸入端，由于這一信號(hào)所產(chǎn)生的預(yù)測(cè)DC失調(diào)<1mV。

請(qǐng)注意，系統(tǒng)規(guī)范中并不包括發(fā)送器泄漏。所以，因這一信號(hào)產(chǎn)生的靈敏度下降必須保持在最低限度。發(fā)送器的輸出電平假定為≤+38dBm，與此同時(shí)，“發(fā)送至接收”隔離為95dB。LTM9004中產(chǎn)生的二階失真導(dǎo)致的靈敏度損失將<0.1dB。

在規(guī)范中對(duì)于三階線性度僅有一個(gè)要求。這是在存在兩個(gè)干擾信號(hào)的情況下，靈敏度不得降至低于-115dBm。這兩個(gè)干擾信號(hào)是一個(gè)CW音調(diào)和一個(gè)WCDMA信道，它們的大小均為-48dBm。這些干擾信號(hào)均以-28dBm的大小出現(xiàn)在LTM9004的輸入端。它們的頻率與期望的信道相隔10MHz和20MHz，因此，三階互調(diào)分量將位于基帶上。此時(shí)這個(gè)分量仍然以偽隨機(jī)噪聲的形式出現(xiàn)，因而致使信噪比降低。LTM9004中產(chǎn)生的三階失真比熱噪聲層大約低20dB，預(yù)計(jì)的靈敏度下降值<0.1dB。

測(cè)量性能

通過采用評(píng)估板，LTM9004-AC獲得了優(yōu)異的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試裝置包括兩個(gè)用于RF和LO的Rohde & Schwarz SMA 100A信號(hào)發(fā)生器以及一個(gè)用于ADC時(shí)鐘和TTE嵌入式濾波器的Rohde & Schwarz SMY 01發(fā)生器。

采用5V和3V電源時(shí)，LTM9004-AC的總功耗為1.83W。其AC性能包括72dB/9.42MHz SNR和66dB SFDR。

結(jié)論

LTM9004不但擁有UMTS基站應(yīng)用所需的高性能，而且還提供了對(duì)于緊湊型設(shè)計(jì)而言必不可少的小尺寸和高集成度。通過運(yùn)用SiP技術(shù)，這款μModule接收器可采用以最優(yōu)工藝(SiGe、CMOS)制作的組件及無源濾波器元件。（作者：Douglas Stuetzle，高級(jí)模塊設(shè)計(jì)工程師；Todd Nelson，模塊開發(fā)經(jīng)理，凌力爾特公司）