無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商試圖實(shí)現(xiàn)全域信號(hào)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(lái)自ADI公司的一對(duì)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(shí)還能帶來(lái)軟件定義無(wú)線電(SDR)的靈活性，從而應(yīng)對(duì)多種不同的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。
這里涉及的IC的型號(hào)是ADRF6612和ADRF6614，根據(jù)設(shè)計(jì)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(gè)板載鎖相環(huán)(PLL)和多個(gè)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(wú)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(shì)，不妨回憶一下2010年左右時(shí)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(gè)組件來(lái)處理當(dāng)時(shí)的蜂窩頻率范圍，即800 MHz至1900 MHz。頻率合成由一個(gè)獨(dú)立的PLL和窄帶VCO模塊提供，需要用一個(gè)特有的PLL環(huán)路濾波器才能實(shí)現(xiàn)最佳性能。每個(gè)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(guò)低阻抗傳輸線路相互連接起來(lái)的，結(jié)果會(huì)增加信號(hào)損失。結(jié)果，需要很大的電流把VCO輸出驅(qū)動(dòng)到足夠的電平，以便混頻器能在信號(hào)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(dòng)通信系統(tǒng)(MC-GSM)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)一直是個(gè)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(wú)用信號(hào)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(shí)的典型蜂窩基站
圖2.信道復(fù)用方案要求在GSM無(wú)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(guò)高質(zhì)量因數(shù)(高Q)諧振器和窄帶設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。頻分也能降低噪聲。通過(guò)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(gè)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(jì)必須支持無(wú)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(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)系統(tǒng)。接收器設(shè)計(jì)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(guò)組合的方式滿足基站倍頻程帶寬需求。
一旦將若干個(gè)VCO配置為在最高工作頻率下產(chǎn)生一個(gè)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(guò)從1至32分頻，兩級(jí)頻分實(shí)現(xiàn)200 Ghz至2700 Mhz的LO頻率。對(duì)于同時(shí)包括MC-GSM的應(yīng)用，ADRF6614接收器混頻器包括兩個(gè)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(wú)線微蜂窩可能不具備氣候控制環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，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(duì)于低噪聲寬帶寬，每個(gè)VCO內(nèi)核采用一個(gè)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(huì)仔細(xì)監(jiān)控VCO諧振器幅度的任何變化，并用自動(dòng)電平控制(ALC)系統(tǒng)調(diào)整幅度，以獲得最佳輸出幅度。每個(gè)IC都會(huì)在工作頻率被重新編程的時(shí)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(gè)ADRF6612和ADRF6614 IC中的四個(gè)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(duì)于環(huán)境和工藝差異，內(nèi)核一般會(huì)以相同的方向移動(dòng)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(wú)限地維持頻率，調(diào)諧電壓范圍支持需要的同步范圍。在時(shí)分雙工(TDD)系統(tǒng)中，基站可能根據(jù)不同的時(shí)隙改變頻率，其工作時(shí)間可能按微秒計(jì)。在頻分雙工(FDD)系統(tǒng)中，可能需要多年鎖定單個(gè)頻率。
在ADRF6612和ADRF6614 IC系統(tǒng)工作期間，任何時(shí)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(guò)VCO的變?nèi)菡{(diào)諧電壓范圍和頻率調(diào)諧靈敏度(kV)來(lái)處理，溫度范圍有可能達(dá)145°C。每個(gè)IC會(huì)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(hào)產(chǎn)物導(dǎo)致的接收器靈敏度下降問(wèn)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(hào)對(duì)調(diào)制方案至關(guān)重要，如MC-GSM。對(duì)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(gè)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(duì)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(guò)菊花鏈方式將ADRF6612和ADRF6614 IC級(jí)聯(lián)起來(lái)，以便允許其中一個(gè)單元作為主頻率合成器，分別通過(guò)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(shí)支持高端和低端LO注入，每個(gè)IC的LO鏈提供了靈活的信號(hào)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(jí)在從200 Mhz至2700 Mhz的整個(gè)LO范圍內(nèi)，同時(shí)為無(wú)源混頻器內(nèi)核提供一個(gè)方波驅(qū)動(dòng)。1
圖4.本LO信號(hào)鏈用于支持無(wú)線基站接收器
現(xiàn)代無(wú)線基站帶內(nèi)信號(hào)在頻率上接近低電平輸入信號(hào)，因而蜂窩接收器可以充當(dāng)阻塞信號(hào)。在這種情況下，在目標(biāo)信號(hào)之上，來(lái)自阻塞信號(hào)附近LO放大器的相位噪聲被混頻進(jìn)IF輸出頻段。這樣會(huì)提高噪底，有時(shí)能大幅降低接收器的信噪比(SNR)。
由于阻塞信號(hào)可能較大(高功率)，所以VCO相位噪聲必須極低，并且LO鏈不會(huì)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(huì)最終被阻塞信號(hào)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(lái)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(dòng)至限幅。當(dāng)每個(gè)級(jí)進(jìn)入硬限幅時(shí)，在其他情況下會(huì)增大相位噪聲的LO鏈小信號(hào)增益將大幅下降，從而將阻塞條件下的噪聲系數(shù)下降問(wèn)題減至最低。
來(lái)自阻塞信號(hào)的噪聲折疊會(huì)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(jì)，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(hào)，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(huì)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(duì)現(xiàn)代無(wú)線基站設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，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(shí)優(yōu)化片上混頻器周圍的RF和IF級(jí)。2
該技術(shù)首次用于ADRF6612，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)和整個(gè)頻率范圍內(nèi)以及低功耗條件下，最低IIP3超過(guò)25 dBm，在整個(gè)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(hào)(分別為左側(cè)和右側(cè))下的輸出噪聲頻譜
圖6.本信號(hào)鏈所示為典型無(wú)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(cè)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(duì)的規(guī)模也大幅增加。雖然這里無(wú)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(shí)間以實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的布局并保持對(duì)稱，避免無(wú)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(cè)試功能。Wendy Dutile、Ed Gorzynski和Chris Norcross都參與了測(cè)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(xiàng)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(wú)源混頻器)Microwaves & RF，第90頁(yè)，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(cè)。ADI公司，2016。
ADRF6614數(shù)據(jù)手冊(cè)。ADI公司，2016。
About the Authors
作者簡(jiǎn)介
Tom Bosia [thomas.bosia@analog.com] joined ADI in 2013 as an RF product engineer. Prior to Analog Devices, he was an RF test engineer at Raytheon, Cree, and Auriga Microwave, accruing over 25 years of experience in microwave semiconductors. He received a B.S.E.E. from UMass Lowell in 2001.
Tom Bosia [thomas.bosia@analog.com]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(cè)試工程師，在微波半導(dǎo)體領(lǐng)域積累了超過(guò)25年的經(jīng)驗(yàn)。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 [russell.martin@analog.com] joined ADI in 2002 and had 15 years of experience releasing IC products to market as a product engineer before becoming engineering manager in the RF and Microwave Group (RFMG). He graduated from Worcester Polytechnic Institute in 2002 with a B.S.E.E.
Russell Martin [russell.martin@analog.com]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(chǎng)發(fā)布工作達(dá)15年;后來(lái)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 [marc.goldfarb@analog.com] has over 35 years of design experience in analog, RF, and microwave integrated circuits in military, industrial, and consumer applications. He has worked in SiGe/silicon, GaAs, and microwave hybrid integrated circuit technologies, among others. Prior to joining Analog Devices, Marc held engineering roles at Pacific Communications Sciences, Inc. (PCSI), Raytheon, and M/A-COM Microwave Associates. He holds a Master of Engineering degree from Rensselaer Polytechnic Institute in Troy, NY, has 13 patents, and has authored numerous publications for reference and trade journals.
Marc Goldfarb [marc.goldfarb@analog.com]在模擬、RF和微波集成電路領(lǐng)域擁有超過(guò)35年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，涉及軍事、工業(yè)和消費(fèi)電子等應(yīng)用。他曾從事過(guò)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(gè)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(xiàng)專利，在參考類資料和行業(yè)期刊上發(fā)表論文多篇。
Marc is a design engineer with the RF and Microwave Group (RFMG) focused on the development of RF ICs for the wireless infrastructure and is presently leading the design team for a series of 5th generation communications infrastructure (5G IC) projects.
Marc目前是RF和微波部門(RFMG)的一名設(shè)計(jì)工程師，主要負(fù)責(zé)無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施RF IC開發(fā)工作;目前擔(dān)任多個(gè)5G通信基礎(chǔ)設(shè)施(5G IC)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)組組長(zhǎng)。
Dragoslav Culum [dragoslav.culum@analog.com] is a product line manager at Analog Devices. He has over 10 years of experience in wireless communications. Dragoslav joined Analog Devices in 2014 through the Hittite acquisition. He joined Hittite in 2008 and since then has held various positions including applications engineer, marketing engineer, and product line manager in a number of product lines. Dragoslav obtained his Bachelor of Engineering from McMaster University and a Master of Engineering from Carleton University.
Dragoslav Culum [dragoslav.culum@analog.com]是ADI公司的產(chǎn)品線經(jīng)理。他在無(wú)線通信領(lǐng)域擁有超過(guò)10的工作經(jīng)驗(yàn)。2014年，在Hittite并購(gòu)?fù)瓿珊?，Dragoslav加盟ADI。他于2008年加盟Hittite，并歷任多個(gè)職位，包括應(yīng)用工程師、營(yíng)銷工程師和多個(gè)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 [benjamin.walker@analog.com] received his Bachelor of Engineering and Master of Engineering degrees from the Massachusetts Institute of Technology, in 2003 and 2004, respectively. Since 2004, he has worked for Analog Devices, Inc., in the RF and Microwave Group on a variety of circuits for the wireless infrastructure market. Ben’s interests include phase-locked loops, voltage-controlled oscillators, and RF switch and attenuator design.
Ben Walker [benjamin.walker@analog.com]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(lái)，他一直在ADI公司RF和微波部門工作，參與了面向無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)的多種電路設(shè)計(jì)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(jì)。
Ed Balboni [ed.balboni@analog.com] has 30 years’ experience designing high performance, highly integrated, radio transceiver circuits. His expertise is in microwave, RF, mixed-signal, and analog circuits in SiGe BiCMOS, bipolar, and CMOS technologies for communication products. Ed joined Analog Devices in 2000 and works in the RF IC Design Group as an IC designer and design manager. At ADI he develops high performance RF IC components supporting wireless infrastructure including cellular base stations and point-to-point microwave.
Ed Balboni [ed.balboni@analog.com]在高性能、高集成度無(wú)線電收發(fā)器電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域擁有30年經(jīng)驗(yàn)。他擅長(zhǎng)基于SiGe BiCMOS、雙極性和CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)面向通信產(chǎn)品的微波、RF、混合信號(hào)和模擬電路。Ed于2000年加盟ADI公司，在RF IC設(shè)計(jì)部門擔(dān)任IC設(shè)計(jì)師和設(shè)計(jì)經(jīng)理。他在ADI負(fù)責(zé)開發(fā)支持無(wú)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(duì)點(diǎn)微波。
Prior to joining ADI, Ed worked at Draper Laboratory in Cambridge, MA on MEMS inertial sensors and low power communication electronics. Ed graduated from University of Massachusetts Lowell with a B.S.E.E. degree in 1985 and received a M.S.E.E. degree in 1990 from Northeastern University.
加盟ADI之前，Ed曾在麻省劍橋的Draper實(shí)驗(yàn)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(jì)。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。
（轉(zhuǎn)載）
