無線系統(tǒng)小型化的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

本文通過德州儀器（TI），赫梯（Hittite）和萊姆微系統(tǒng)公司（Lime Microsystems）的實例，探討了減小無線系統(tǒng)尺寸和功耗的不同趨勢。從數(shù)字基帶到高度集成的RF CMOS技術(shù)和新材料，以減小功率放大器和無線功率器件的尺寸，無線小型化的驅(qū)動有許多復(fù)雜的工程權(quán)衡。組件設(shè)計也是趨勢中的關(guān)鍵部分，可重新配置的無線設(shè)備集成了更多的系統(tǒng)組件，以減小系統(tǒng)板的整體尺寸。

連接世界的需求日益增長，推動無線系統(tǒng)變得越來越小。能夠?qū)o線鏈接裝入牙刷，甚至是一對骰子，是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）不斷增加的一部分，而空間是一個關(guān)鍵的設(shè)計標準。然而，對于無線系統(tǒng)中的小型化存在許多不同的優(yōu)化。短距離，低功耗無線收發(fā)器受益于CMOS制造技術(shù)的擴展，現(xiàn)在代工廠供應(yīng)商包括28納米和20納米侵蝕性工藝節(jié)點上的RF庫。這些過程允許2.4 GHz的Wi-Fi或藍牙收發(fā)器集成在與基帶MAC協(xié)議處理器相同的芯片上，因此可提供幾平方毫米的高性能無線鏈路。例如，德州儀器（TI）的CC3100是采用9 x 9 mm QFN封裝的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理器子系統(tǒng)。除了完全卸載主機MCU的專用ARM MCU外，該設(shè)備還包括802.11 b/g/n無線電，基帶和帶加密引擎的MAC，可通過256位加密實現(xiàn)快速，安全的Internet連接。所有這些都減少了物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi節(jié)點的占地面積，CC3100支持Station，Access Point和Wi-Fi Direct模式以及嵌入式TCP/IP和TLS/SSL協(xié)議棧，HTTP服務(wù)器和多種Internet協(xié)議。 》集成電源管理子系統(tǒng)增強了小型化，該子系統(tǒng)包括支持各種電源電壓的集成DC-DC轉(zhuǎn)換器。這實現(xiàn)了低功耗模式，例如具有RTC模式的“休眠”需要大約4μA的電流，并且不需要占用額外電路板空間的外部電源管理器件。

CC3100器件可以連接到任何8 SPI或UART接口上的16位或32位MCU和器件驅(qū)動器可最大限度地減少主機內(nèi)存占用空間要求，只需少于7 KB的代碼存儲空間和700字節(jié)的RAM用于TCP客戶端應(yīng)用程序，從而減少了對外部存儲器的需求。

圖1：為德州儀器CC3100集成CPU和無線電，可以縮小Wi-Fi系統(tǒng)的尺寸。

在相對短距離的應(yīng)用中，通過關(guān)注單個頻率和單個協(xié)議使得這種小型化成為可能，但是無線系統(tǒng)中的小型化挑戰(zhàn)通常來自頻帶的多樣性和性能要求。解決性能需求的一種方法是使用多個天線和多個信號鏈，但這已經(jīng)擴展而不是減小了解決方案的規(guī)模。在這種情況下，針對性很強的集成，可以幫助減少多頻段，多標準蜂窩基站分集接收機，MIMO的基礎(chǔ)設(shè)施和寬帶接收機RF前端的整體規(guī)模。結(jié)果例如，赫梯的HMC1190LP6GE是一個高線性雙通道下變頻器，集成PLL/VCO，采用6 x 6 mm QFN封裝。它從700MHz到3.5GHz的操作并且特別適用于需要一個緊湊和低功率解決方案的多標準接收機應(yīng)用而設(shè)計的，點擊結(jié)果，圖2：本HMC1190LP6GE雙通道下變頻器集成減少多通道MIMO基站大小的多種元素。

集成相位檢測器（PD）和delta-sigma調(diào)制器能夠在高達100 MHz的頻率下工作。允許更寬的環(huán)路帶寬，PLL/VCO部分可以相位調(diào)整和同步多個RF設(shè)備，實現(xiàn)可擴展的MIMO和波束成形無線電架構(gòu)。附加PLL/VCO功能包括一個可配置的輸出靜音功能，一個精確的頻率模式，使這兩種產(chǎn)品，以產(chǎn)生具有0赫茲的頻率誤差和同步改變頻率，而不改變輸出信號的相位的能力分數(shù)的頻率。結(jié)果，與傳統(tǒng)的窄帶下變頻器，HMC1190LP6GE支持所有RF頻率的高端和低端LO注入，集成LO和RF巴倫。這使得能夠控制IF和LO放大器以及偏置控制接口到高線性度無源混頻器內(nèi)核，這種平衡無源混頻器與高線性IF放大器架構(gòu)的結(jié)合提供了出色的LO到RF，LO到IF，以及RF到IF隔離，減少了對外部濾波器的需求。通過集成可編程RF輸出相位功能，可以輕松同步多個器件，以構(gòu)建可擴展的MIMO和波束成形無線電架構(gòu)。

軟件定義無線電

創(chuàng)新芯片和系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)合可以顯著減少無線系統(tǒng)必須支持全球多個頻率。 Lime Microsystems的LM6002軟件無線電收發(fā)器支持300 KHz至3.8 GHz的任何頻段，包括世界上幾乎所有流行的無線鏈路。

可重配置架構(gòu)允許支持不同類型的協(xié)議，以不同方式配置芯片內(nèi)的ADC，混頻器和濾波器，以創(chuàng)建不同的上行鏈和下行鏈。這樣就不需要為每個頻段提供單獨的信號鏈，從而大大減小了無線前端的尺寸，并為設(shè)計人員提供了更大的設(shè)計靈活性。能夠在世界各地出貨并為每個不同區(qū)域輕松配置的設(shè)計可以節(jié)省生產(chǎn)，測試和產(chǎn)品管理成本。

能夠在更小的尺寸上實現(xiàn)這一點，大大有助于小型化整個系統(tǒng)。發(fā)送器和接收器均實現(xiàn)為零IF架構(gòu)，提供高達28 MHz的調(diào)制帶寬（相當于14 MHz基帶IQ帶寬）。在發(fā)送端，來自基帶處理器的IQ DAC采樣通過12位多路復(fù)用并行CMOS輸入電平總線提供給LMS6002D。模擬IQ信號由芯片上的發(fā)送DAC生成并饋送到TXINI和TXINQ輸入，低通濾波器消除DAC的零保持效應(yīng)產(chǎn)生的偽像。

圖3：LM6002D軟件定義無線電RF前端支持單個設(shè)備中的大多數(shù)無線頻段。

然后，在TXVGA1中放大IQ信號，并添加DC偏移以抵消來自本地的泄漏振蕩器。然后將IQ信號與發(fā)送PLL輸出混合以產(chǎn)生調(diào)制的RF信號。然后，這個RF信號被兩個獨立的可變增益放大器分離和放大，兩個片外輸出作為RF輸出提供。

LMS6002D還提供RF環(huán)回選項，允許RF信號反饋到用于校準和測試目的的基帶。這通過輔助PA（AUXPA）放大，以增加環(huán)路的動態(tài)范圍，同時也減少了RF前端的整體占用空間。

在接收端，提供三個獨立的輸入，每個輸入都有專用低噪聲放大器（LNA）。在由可編程低噪聲放大器（RXLNA）提升后，信號與接收PLL（RXPLL）輸出混合，直接向下轉(zhuǎn)換為基帶。產(chǎn)生的模擬IQ信號在接收ADC中轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，并通過多路復(fù)用的12位CMOS輸出電平并行總線提供給基帶處理器。

可驅(qū)動尺寸減小的可配置多頻段操作來自兩者發(fā)送器輸出和三個接收器輸入由一組內(nèi)部寄存器控制，可通過串行端口訪問為了實現(xiàn)全雙工操作，LMS6002D包含兩個獨立的合成器，均由相同的參考時鐘驅(qū)動，無需兩個芯片，有助于進一步減少前端的占用空間。

Lime也采用了通過允許設(shè)計人員訪問LM6002中的各個組件，進一步縮小系統(tǒng)尺寸的機會。如果在配置中未使用ADC或濾波器等元件，則設(shè)計人員可以訪問這些元件并將其用于設(shè)計的其他部分，從而避免在電路板上使用額外的元件。例如，通過閉合RXOUT開關(guān)并關(guān)斷RXVGA2，RXOUTI和RXOUTQ引腳可用作IQ ADC輸入。在這種配置中，ADC可用于測量兩個外部信號，例如片外PA溫度傳感器或峰值檢測器。

所有這些都滿足了對無線系統(tǒng)小型化日益增長的需求。

結(jié)論

小型化是無線系統(tǒng)中引人注目的趨勢，物聯(lián)網(wǎng)推動了各種設(shè)備對無線連接的需求。然而，還有許多其他無線應(yīng)用，小型化需要其他工程權(quán)衡，同樣重要。通過使用軟件定義的無線電架構(gòu)可以減小多頻帶系統(tǒng)的尺寸，而MIMO架構(gòu)和天線分集可以提高各種基站的性能，其中集成選項非常不同。這與功耗，干擾和同步相平衡，突出了RF系統(tǒng)持續(xù)小型化的挑戰(zhàn)。