UMTS 基站接收器占板面积仅为半平方英寸 接收器

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作者：凌力尔特公司高级模块设计工程师 Douglas Stuetzle，模块开发经理 Todd Nelson

在满足宏蜂窝基站性能要求的前提之下，集成度究竟能够达到多高? 工艺技术仍然限定某些重要的功能部件必须采用特殊工艺来制造：在射频 (RF) 领域采用GaAs 和 SiGe 工艺，高速 ADC 采用细线 CMOS工艺，而高品质因数 (High-Q) 滤波器则无法采用半导体材料很好地实现。此外，市场对于提高集成度的需求并没有停止。

考虑到上述问题，凌力尔特决定采用系统级封装 (SiP) 技术来开发占板面积约为 1/2 平方英寸 (仅刚刚超过 3cm2) 的接收器。接收器的边界处有 50Ω RF输入、50Ω LO 输入、ADC 时钟输入及数字 ADC 输出。该边界留待增加低噪声放大器 (LNA) 和 RF 滤波，用于输入、LO 和时钟发生，以及数字输出的数字处理。在 15mm x 22mm 封装内是一个采用 SiGe 高频组件、分立无源滤波和细线 CMOS ADC 的信号链路。

本文将对 LTM®9004 微型模块 (μModule) 接收器 (一款直接转换接收器) 进行设计分析。

设计目标

设计目标是通用移动通信系统 (UMTS) 上行链路频分双工 (FDD) 系统，特别是处于工作频段 I 的中等覆盖范围基站 (详见 3GPP TS25.104 V7.4.0 规范)。对于接收器而言，灵敏度是一个主要的考虑因素，输入信噪比 (SNR) 为 -19.8dB/5MHz 时，所要求的灵敏度 ≤-111dBm。这意味着接收器输入端的有效噪声层必须 ≤-158.2dBm/Hz。

设计分析：零 IF 或直接转换接收器

LTM9004 是一款采用了 I/Q 解调器、基带放大器和双通道 14 位 125Msps ADC 的直接转换接收器 (如图1所示)。LTM9004-AC 低通滤波器在 9.42MHz频率下具有一个 0.2dB 的拐角，从而允许 4 个 WCDMA 载波。LTM9004 可与RF 前端一起使用，构成一个完整的 UMTS 频段上行链路接收机。RF 前端由一个双工器以及一个或多个低噪声放大器 (LNA) 和陶瓷带通滤波器组成。为最大限度地减低增益和相位失衡，基带链路采用了一种固定增益拓扑结构。因此，在 LTM9004 之前需要布设一个 RF 可变增益放大器 (VGA)。这里给出了此类前端的典型性能示例：

*  接收 (Rx) 频率范围：1920MHz 至 1980MHz
*  RF 增益：15dB (最大值)
*  自动增益控制 (AGC) 范围：20dB
*  噪声指数：1.6dB
*   IIP2：+50dBm
*   IIP3：0dBm
*   P1dB：-9.5dBm
*  20MHz 时的抑制：2dB
*  发送 (Tx) 频段上的抑制：96dB



图 1：在 LTM9004 微型模块接收器中实现的直接转换架构

考虑到 RF 前端的有效噪声影响，由 LTM9004 所引起的最大可容许噪声必须为 -142.2dBm/Hz。LTM9004 的典型输入噪声为 -148.3dBm/Hz，由此计算出的系统灵敏度为 -116.7dBm。

通常，此类接收器可受益于 ADC 之后的某些数字化信号之 DSP 滤波。在这种情况下，假设 DSP 滤波器是一个具有 α = 0.22 的 64 抽头 RRC 低通滤波器。为了在出现同信道干扰信号的情况下工作，接收器在最大灵敏度下必须拥有足够的动态范围。UMTS 规范要求最大同信道干扰为 -73dBm。请注意，对一个具有 10dB 峰值因数的已调制信号而言，在 LTM9004 的 IF 通带之内，-1dBFS 的输入电平为 -15.1dBm。在 LTM9004 输入端，这相当于 -53dBm，或者 -2.6dBFS的数字化信号电平。


当 RF 自动增益控制 (AGC) 设定为最小增益时，接收器必须能从手机中解调出预计所需的最大信号。这种要求最终将 LTM9004 必须提供的最大信号之大小设定在 -1dBFS 或其以下。规范中所要求的最小路径损耗为 53dB，且假定手机的平均功率为 +28dBm。那么在接收器输入端，最大信号电平即为 -25dBm。这等效于 -14.6dBFS 的峰值。

UMTS 系统规范中详细说明了几种阻断信号。在存在此类信号的情况下只允许进行规定了大小的减敏，灵敏度指标为 -115dBm。其中的第一种是一个相距 5MHz的相邻信道，其电平为 -42dBm。数字化信号电平的峰值为 -11.6dBFS。DSP 后处理将增加 51dB 抑制，因此，这个信号在接收器输入端相当于一个 -93dBm 的干扰信号。最终的灵敏度为 -112.8dBm。

而且，接收器还必须与一个相隔 ≥10MHz 的 -35dBm 干扰信道竞争。μModule 接收器的 IF 抑制将使这个干扰信道衰减至相当于峰值为 -6.6dBFS 的数字化信号电平。经过 DSP 后处理，其在接收器输入端上相当于 -89.5dBm，最终的灵敏度为 -109.2dBm。

另外，还必须考虑到带外阻断信号，但这些带外阻断信号的电平与已经讨论过的带内阻断信号相同。

在所有这些场合中，LTM9004 的 -1dBFS 典型输入电平均远远高于最大预期信号电平。请注意，已调制信道的峰值因数将大约在 10dB ~ 12dB，因此，在LTM9004 的输出端上，其中最大的一个将达到约 6.5dBFS 的峰值功率。

最大的阻断信号是 -15dBm 连续波 (CW) 音调 (超过接收频段边缘 ≥20MHz)。RF 前端将对这个音调提供 37dB 抑制，因此，它出现在 LTM9004 的输入端时将为 -32dBm。此时，这种电平值的信号仍然不允许降低基带 μModule 接收器的灵敏度。等效的数字化电平峰值仅为 -41.6dBFS，因此对灵敏度没有影响。

另一个不想要的干扰信号功率源来自发送器的泄漏。因为这是一种 FDD 应用，所以此处描述的接收器将与一个同时工作的发送器相耦合。该发送器的输出电平假定为 ≤+38dBm，同时“发送至接收”的隔离为 95dB。那么，在 LTM9004 输入端上出现的泄漏为 -31.5dBm，相对于接收信号的偏移至少为 130MHz。等效的数字化电平峰值仅为 -76.6dBFS，因此不会降低灵敏度。

直接转换架构的一个挑战是二阶线性度。二阶线性度不理想将允许任何期望的或不期望的信号进入，这将引发基带上的 DC 失调或伪随机噪声。如果这种伪随机噪声接近接收器的噪声电平，那么上面详细讨论过的那些阻断信号将降低灵敏度。在这些阻断信号存在的各种情况下，系统规范都允许灵敏度降低。按照系统规范的规定，-35dBm 阻断通道可以使灵敏度降至 -105dBm。如我们在上文中看到的那样，这种阻断信号在接收器输入端上构成了一个 -15dBm 的干扰信号。LTM9004 输入所产生的二阶失真大约比热噪声低 16dB，结果，预测的灵敏度为 -116.6dBm。

-15dBm 的 CW 阻断信号还将导致二阶分量；在这种情况下该分量是一个 DC 失调。DC 失调是不希望有的，因为它减小了 A/D 转换器能够处理的最大信号。一种减轻 DC 失调影响的可靠方法是，确保基带 μModule 接收器的二阶线性度足够高。在 ADC 的输入端，由于这一信号所产生的预测 DC 失调 <1mV。

请注意，系统规范中并不包括发送器泄漏。所以，因这一信号产生的灵敏度下降必须保持在最低限度。发送器的输出电平假定为 ≤ +38dBm，与此同时，“发送至接收”隔离为 95dB。LTM9004 中产生的二阶失真导致的灵敏度损失将 <0.1dB。

在规范中对于三阶线性度仅有一个要求。这是在存在两个干扰信号的情况下，灵敏度不得降至低于 -115dBm。这两个干扰信号是一个 CW 音调和一个 WCDMA 信道，它们的大小均为 -48dBm。这些干扰信号均以 -28dBm 的大小出现在 LTM9004 的输入端。它们的频率与期望的信道相隔 10MHz 和 20MHz，因此，三阶互调分量将位于基带上。此时这个分量仍然以伪随机噪声的形式出现，因而致使信噪比降低。LTM9004 中产生的三阶失真比热噪声层大约低 20dB，预计的灵敏度下降值 <0.1dB。

测量性能

通过采用图 2 中示出的评估板，LTM9004-AC 获得了优异的测试结果 (如图 3 和 4 所示)。测试装置包括两个用于 RF 和 LO 的 Rohde & Schwarz SMA 100A 信号发生器以及一个用于 ADC 时钟和 TTE 嵌入式滤波器的 Rohde & Schwarz SMY 01 发生器。



图 2：设计一款完整接收器所需的外部电路极少



图 3：单音调 FFT



图 4：基带频率响应

采用 5V 和 3V 电源时，LTM9004-AC 的总功耗为 1.83W。其 AC 性能包括 72dB/9.42MHz SNR 和 66dB SFDR。

结论

LTM9004 不但拥有 UMTS 基站应用所需的高性能，而且还提供了对于紧凑型设计而言必不可少的小尺寸和高集成度。通过运用 SiP 技术，这款 μModule 接收器可采用以最优工艺 (SiGe、CMOS) 制作的组件及无源滤波器元件。