半平方英寸UMTS基站接收器模塊

作者：Doug Stuetzle and Todd Nelson

在滿足宏蜂窩基站性能要求的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)多少集成？工藝技術(shù)仍然要求在特定工藝中實(shí)現(xiàn)某些關(guān)鍵功能：GaAs和SiGe最適合RF領(lǐng)域，用于高速ADC的細(xì)線CMOS以及半導(dǎo)體材料中無法很好地實(shí)現(xiàn)高Q值濾波器。然而，市場(chǎng)需要更多的密度。

考慮到這一點(diǎn)，我們選擇使用系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）技術(shù)來構(gòu)建一個(gè)占地約半平方英寸（略高于3厘米）的接收器。2).接收器的邊界是 50 歐姆射頻輸入、50 歐姆 LO 輸入、ADC 時(shí)鐘輸入和數(shù)字 ADC 輸出。這就需要為輸入、LO和時(shí)鐘生成以及數(shù)字輸出的數(shù)字處理添加LNA和RF濾波。在15 × 22 mm封裝中，信號(hào)鏈采用SiGe高頻元件、分立式無源濾波和細(xì)線CMOS ADC。

以下文章介紹了兩種μModule產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析：實(shí)施直接變頻接收器的LTM9004和實(shí)施中頻采樣接收器的LTM9005。

設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)目標(biāo)是UMTS上行鏈路FDD系統(tǒng)，特別是3GPP TS25.104 V7.4.0規(guī)范中詳述的I工作頻段中的中域基站。靈敏度是接收器的主要考慮因素;對(duì)于?19.8 dB/5 MHz的輸入SNR，要求為≤?111 dBm。這意味著接收器輸入端的有效本底噪聲必須≤?158.2 dBm/Hz。

設(shè)計(jì)分析—零中頻或直接變頻接收器

LTM9004 是一款直接變頻接收器，采用一個(gè) I/Q 解調(diào)器、基帶放大器和一個(gè)雙通道 14 位、125 Msps ADC，如圖 1 所示。LTM9004-AC低通濾波器在9.42 MHz時(shí)具有0.2 dB轉(zhuǎn)折，允許使用4個(gè)WCDMA載波。LTM9004 可與一個(gè) RF 前端配合使用，以構(gòu)建一個(gè)完整的 UMTS 頻段上行鏈路接收器。RF前端通常由一個(gè)雙工器、一個(gè)或多個(gè)低噪聲放大器（LNA）和陶瓷帶通濾波器組成。為了最小化增益和相位不平衡，基帶鏈實(shí)現(xiàn)了固定增益拓?fù)?因此，在 LTM9004 之前需要一個(gè) RF VGA。以下是此類前端的典型性能示例：

接收頻率范圍：1920 至 1980 MHz

射頻增益：最大 15 dB

AGC 范圍：20 dB

噪聲系數(shù)：1.6 dB

IIP2： +50 分貝

IIP3： 0 分貝

P1分貝： ?9.5 分貝

20 MHz 時(shí)的抑制：2 dB

發(fā)射波段抑制：96 dB

圖1.直接變頻架構(gòu)在 LTM9004 μModule 接收器中實(shí)現(xiàn)。

考慮到該RF前端的有效噪聲貢獻(xiàn)，LTM9004的最大允許噪聲為?142.2 dBm/Hz。 LTM9004的典型輸入噪聲為?148.3 dBm/Hz，計(jì)算得出的系統(tǒng)靈敏度為?116.7 dBm。

通常，這種接收器在ADC之后享受對(duì)數(shù)字化信號(hào)進(jìn)行一些DSP濾波的好處。在這種情況下，假設(shè)DSP濾波器是一個(gè)64抽頭RRC低通，alpha等于0.22。為了在存在同信道干擾信號(hào)的情況下工作，接收器必須在最大靈敏度下具有足夠的動(dòng)態(tài)范圍。UMTS規(guī)范要求最大同信道干擾電平為?73 dBm。請(qǐng)注意，對(duì)于波峰因數(shù)為10 dB的調(diào)制信號(hào)，LTM9004中頻通帶內(nèi)?1 dBFS的輸入電平為?15.1 dBm。在LTM9004輸入端，這相當(dāng)于?53 dBm，或?42.6 dBFS的數(shù)字化信號(hào)電平。

將RF自動(dòng)增益控制（AGC）設(shè)置為最小增益后，接收器必須能夠解調(diào)來自手機(jī)的最大預(yù)期所需信號(hào)。此要求最終設(shè)定了 LTM9004 必須容納的最大信號(hào)等于或低于 ?1 dBFS。規(guī)范中規(guī)定的最小路徑損耗為53 dB，假設(shè)手機(jī)平均功率為+28 dBm。接收器輸入端的最大信號(hào)電平為?25 dBm。這相當(dāng)于?14.6 dBFS峰值。

UMTS系統(tǒng)規(guī)范中詳細(xì)介紹了幾個(gè)阻塞信號(hào)。在存在這些信號(hào)的情況下，僅允許指定量的脫敏;靈敏度規(guī)格為?115 dBm。第一個(gè)指定的阻塞信號(hào)是距離5 MHz的相鄰?fù)ǖ?，電平?42 dBm。數(shù)字化信號(hào)的電平為?11.6 dBFS峰值。DSP后處理增加了51 dB抑制，因此該信號(hào)相當(dāng)于接收器輸入端的?93 dBm干擾。所得靈敏度為?112.8 dBm。

接收器還必須應(yīng)對(duì)10 MHz≥?35 dBm干擾信道。μModule接收器的IF抑制會(huì)將其衰減至?6.6 dBFS峰值的等效數(shù)字化信號(hào)電平。使用DSP后處理時(shí)，接收器輸入端的噪聲為?89.5 dBm。所得靈敏度為?109.2 dBm。

還必須容納帶外阻滯劑，但這些阻斷器與已經(jīng)解決的帶內(nèi)阻滯劑處于同一水平。

在所有這些情況下，LTM9004 ?1 dBFS 的典型輸入電平遠(yuǎn)高于預(yù)期的最大信號(hào)電平。請(qǐng)注意，調(diào)制通道的波峰因數(shù)約為10-12 dB，因此其中最大的波峰因數(shù)將在LTM9004輸出端達(dá)到約?6.5 dBFS的峰值功率。

最大的阻塞信號(hào)是超出接收帶邊沿20 MHz≥?15 dBm CW音調(diào)。RF前端將提供37 dB的該音調(diào)抑制，因此它將出現(xiàn)在LTM9004的輸入端，頻率為?32 dBm。同樣，此電平的信號(hào)不得使基帶μModule接收器脫敏。等效數(shù)字化電平僅為?41.6 dBFS峰值，因此對(duì)靈敏度沒有影響。

另一個(gè)不需要的信號(hào)功率來源是發(fā)射器泄漏。由于這是FDD應(yīng)用，因此此處描述的接收器將與同時(shí)工作的發(fā)射器耦合。假設(shè)發(fā)射器輸出電平≤+38 dBm，發(fā)射到接收隔離度為95 dB。LTM9004輸入端出現(xiàn)的漏電流為?31.5 dBm，與接收信號(hào)偏移至少130 MHz。等效的數(shù)字化水平僅為?76.6 dBFS峰值，因此沒有脫敏。

直接變頻架構(gòu)的一個(gè)挑戰(zhàn)是二階線性度。二階線性度不足將允許任何信號(hào)（無論需要或不需要）在基帶上產(chǎn)生直流偏移或偽隨機(jī)噪聲。如果這種偽隨機(jī)噪聲接近接收器的噪聲電平，上面詳述的阻塞信號(hào)將降低靈敏度。系統(tǒng)規(guī)格允許在每種情況下存在這些阻斷劑時(shí)靈敏度下降。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)格，?35 dBm阻塞通道可能會(huì)將靈敏度降低至?105 dBm。如上所述，該阻塞信號(hào)在接收器輸入端構(gòu)成?15 dBm的干擾電平。LTM9004輸入產(chǎn)生的二階失真比熱噪聲低約16 dB，由此產(chǎn)生的預(yù)測(cè)靈敏度為?116.6 dBm。

?15 dBm CW阻塞器也會(huì)產(chǎn)生二階積;在這種情況下，產(chǎn)品是直流偏移。直流失調(diào)是不可取的，因?yàn)樗鼤?huì)降低A/D轉(zhuǎn)換器可以處理的最大信號(hào)。減輕直流失調(diào)影響的一種可靠方法是確?；鶐Е蘉odule接收器的二階線性度足夠高。該信號(hào)引起的預(yù)測(cè)直流失調(diào)在ADC輸入端<1 mV。

請(qǐng)注意，系統(tǒng)規(guī)格中不包括發(fā)射器泄漏，因此必須將此信號(hào)引起的靈敏度下降降至最低。假設(shè)發(fā)射器輸出電平≤+38 dBm，發(fā)射到接收隔離度為95 dB。LTM9004中產(chǎn)生的二階失真使得靈敏度損失將<0.1 dB。

規(guī)范中對(duì)三階線性度只有一個(gè)要求。在存在兩個(gè)干擾源的情況下，靈敏度不得低于?115 dBm。規(guī)范中的干擾源是CW音和WCDMA通道，每個(gè)通道均為?48 dBm。它們將以?28 dBm出現(xiàn)在LTM9004輸入端。它們的頻率使得它們距離所需信道10 MHz和20 MHz，因此三階互調(diào)產(chǎn)物落在基帶。同樣，該產(chǎn)品顯示為偽隨機(jī)噪聲，因此會(huì)降低信噪比。LTM9004產(chǎn)生的三階失真比本底熱噪聲低約20 dB，預(yù)測(cè)的靈敏度下降<0.1 dB。

設(shè)計(jì)分析—140 MHz 中頻采樣接收器

LTM9005 是一款中頻采樣接收器，內(nèi)置一個(gè)下變頻混頻器、一個(gè)帶可變衰減器的中頻放大器、一個(gè)表面聲波 （SAW） 濾波器和一個(gè) 14 位、125 Msps ADC，如圖 2 所示。LTM9005-AB SAW濾波器的中心頻率為140 MHz，帶寬為20 MHz，允許使用4個(gè)WCDMA載波。如上所述，LTM9005-AB 可與類似的 RF 前端配合使用，以構(gòu)建一個(gè)完整的 UMTS 頻段上行鏈路接收器。在這種情況下，適當(dāng)?shù)那岸藨?yīng)具有14.5 dB的最大RF增益。

圖2.在 LTM9005 μModule 接收器中實(shí)現(xiàn)的中頻采樣架構(gòu)。

以下是 LTM9005-AB 的典型關(guān)鍵規(guī)格：

?1 dBFS 的信號(hào)輸入：?17.8 dBm

輸入噪聲電平：?158 dBm/Hz

IIP3：

中頻內(nèi) 2 音：+17.7 dBm

中頻外 2 音：+19 dBm

P1分貝，中頻通帶外：+8.8 dBm

雷杰。中頻通帶外：40 dB

LTM9005-AB的典型輸入噪聲為?158 dBm/Hz?？紤]到RF前端的噪聲，最大RF增益下的預(yù)測(cè)系統(tǒng)靈敏度為?122.2 dBm。

UMTS規(guī)范要求最大同信道干擾源為?73 dBm。將接收器設(shè)置為最大增益時(shí)，達(dá)到μModule接收器輸入的電平為?58.5 dBm。請(qǐng)注意，調(diào)制通道的波峰因數(shù)約為10-12 dB，因此該信號(hào)在μModule接收器輸入端將達(dá)到約?48.5 dBm的峰值功率。這相當(dāng)于ADC輸入端的?31.7 dBFS。

將RF AGC設(shè)置為最小增益，手機(jī)平均功率為+28 dBm時(shí)，規(guī)范中規(guī)定的最小路徑損耗為53 dB。接收器輸入端的最大信號(hào)電平為?25 dBm。此條件設(shè)置了可以放置在μModule接收器之前的最大RF增益。假設(shè)RF AGC范圍為20 dB，則LTM9005-AB輸入端的信號(hào)電平為?30.5 dBm?？紤]到波峰因數(shù)，該信號(hào)在μModule接收器輸入端將達(dá)到約?20.5 dBm的峰值功率。這相當(dāng)于ADC的?3.7 dBFS。

考慮接收器設(shè)置為在存在阻塞信號(hào)時(shí)的最大RF增益。同樣，靈敏度規(guī)格為?115 dBm。請(qǐng)注意，一旦接收信號(hào)被數(shù)字化，將使用DSP完成額外的帶通濾波。假設(shè)此操作的抑制系數(shù)為 20 dB。

這些阻塞信號(hào)中的第一個(gè)是電平為?52 dBm的相鄰?fù)ǖ馈＆蘉odule接收器的IF抑制為40 dB，DSP后處理再增加20 dB。因此，該信號(hào)相當(dāng)于接收器輸入端?114.5 dBm的干擾源;數(shù)字化信號(hào)的電平為?50.7 dBFS。所得靈敏度為?122.2 dBm。

接收器還必須應(yīng)對(duì)10 MHz≥?40 dBm干擾信道。同樣，RF前端不會(huì)抑制該通道，但μModule接收器的IF和DSP抑制會(huì)將其衰減到接收器輸入端的?102.5 dBm等效電平。這相當(dāng)于數(shù)字化信號(hào)電平為?38.7 dBFS，所得靈敏度為?119.8 dBm。

在所有這些情況下，LTM9005-AB ?1 dBFS 的典型輸入電平遠(yuǎn)高于預(yù)期的最大阻塞電平。請(qǐng)注意，所得靈敏度均在?115 dBm規(guī)格范圍內(nèi)。

還必須容納帶外阻塞信號(hào)，其中最大的帶寬帶邊沿是?15 dBm CW音調(diào)，≥接收帶邊沿20 MHz。RF前端將提供約37 dB的該音調(diào)抑制，IF濾波器將提供另外40 dB的衰減。考慮到DSP抑制，該音調(diào)相當(dāng)于?114.5 dBm。所得靈敏度為?122.2 dBm，數(shù)字化信號(hào)電平為?60.7 dBFS。

假定發(fā)射器輸出電平為≤+38 dBm，發(fā)射到接收隔離度為95 dB。接收器輸入端的等效電平（考慮IF和DSP抑制）為?119.5 dBm或?55.7 dBFS。所得靈敏度為?122.2 dBm，也在?115 dBm規(guī)格范圍內(nèi)。

對(duì)于三階線性度，在存在兩個(gè)干擾源的情況下，靈敏度不得低于?115 dBm。干擾源為CW音和WCDMA通道，每個(gè)通道為?48 dBm，每個(gè)干擾源將在LTM9005-AB輸入端以?33.5 dBm的速度出現(xiàn)。它們的頻率使得它們與所需通道相距10 MHz和20 MHz，因此三階互調(diào)產(chǎn)物落在IF通帶內(nèi)。在這里，該產(chǎn)品再次顯示為偽隨機(jī)噪聲。使用適用于通帶外音調(diào)的IIP3，預(yù)測(cè)的三階積顯示為?131.1 dBm。這比噪聲水平低約30 dB，對(duì)靈敏度沒有影響。

結(jié)論

LTM9004 和 LTM9005 具有 UMTS 基站應(yīng)用所需的高性能，同時(shí)又提供了非常緊湊的設(shè)計(jì)所需的小尺寸和高集成度 （參見圖 3）。通過利用SiP技術(shù)，μModule接收器可以將采用最佳半導(dǎo)體工藝（SiGe、CMOS）制造的元件與無源濾波器元件組合在一起。

圖3.實(shí)際演示板照片顯示需要最少的外部電路。

審核編輯：郭婷