MAX2701及其在卫星接收机中的应用

1、MAX2701及其在卫星接收机中的应用摘要介绍了用于直接下变频零中频接收机的解调芯片MAX2701的主要特点和功能，并给出了它在卫星接收机中的典型应用。关键词2701芯片直接下变频卫星接收机随着无线通信技术的迅猛发 展，面向专用系统的射频集成芯片的种类越来越多，集成度越来越高。从某种意义上讲，一个完整的无线通信系统射频模块的构建过程，已 经变成对适合芯片的选择与使用的过程。因此，射频系统性能的优劣很大程度上取决于所选核心集成芯片的性 能。MAX2701是笔者在设计一种卫星通信接收机过程中所使用的一款美信公司用于直接下变频接收机的射频芯片。本文在介绍这款芯片特点的同时，将围绕它在卫星接收机中的具

2、体应 用做详细介绍。图12701的功能模块图1美信MAX 2 7 0 1零中频接收解调芯片1.1概述MAX2701是一款用于零中频结构的正交调制解调芯片,它是专为2.1GHz2.5GHz的宽带无线局域网系统设计的。零中频结构接收机在系统中不存在中频IF Inte rmediateFr equency，因而避免了镜像干扰，节省了镜像滤波器的设计成本；同时，它免去了中频变频模块和中频带通滤波器，大大简化了整个接收机的设计，节约了成本，易于高度集成化和小型化。1.2基本模块MAX2701主要由五个功能模块组成低噪声放大器LNA、正交下变频器、基带可控增益放大器、基带增益平衡调控电路 和偏置电路。其功

3、能模块图如图1所示。低噪声放大器LNA模块由一个单端输入、增益可调放大器实现，它 的噪声系数在电源电压+3V时为2.3dB ;正常工作状态下增益达16 dBo正交解调模块将射频信号直接下变频到基带，解调出I/Q两路信号。信号的放大和滤波主要集中在基带进行，对于放大器的设计和高Q值 滤波器的实现都很有利。同时，中频声表面波滤波器SAW和中频本振模块的节省，大大简化 了系统的复杂性，降低了成本，缩短了开发周期。图 2 卫星接收机模块简图解调模块包括两个线性度很高的双平衡混频 器；一个本振可选倍频模块、本振正交变换模块、基带I/Q缓冲放大器。基带可控增益放大器的设计在MAX 2 7 0 1中独具特色

4、，它对I/Q两路信号分别采用了总增益8 0dB、可控增益达60dB的两级增益可调放大器。第一级是一个级联差分输入单端输出的宽带放大器，它的设计目标是 在高增益状态下的低噪声、低功耗以及高线性度；第二级也是一个多级差 分输入单端输出的宽带放大器。在这两级之间通过外接的滤波器可以构成频道选择滤波器，从而达到抑制邻道功率的作用。I/Q增益失配矫正模块是针对直接下变频接收机结构的增强措施。I/Q两路基带信号会因为例如信道特性不同、本振信号相移误差等诸多因素导致增益的不平衡。这将导致解调I/Q星座图上点迹混沌、EVM值增大、误码率升高,严重影响解调性能。MAX2701的I/Q增益失配矫正模块首先比较I/

5、Q两路信号在最终输出端的幅度，范文先生网收集整理其误差信号通过一个微分反馈网络，调节两级放大器的增益控制电路。动态调节两路信道的增益，从而补偿了前两级放大器增益的不平衡。此外，它对两路信道低通滤波器的插入损耗的失配同样能够起到平衡作用。在MAX2701芯片中还设计了增益可调放大器的偏移调控电路。它通过一个内置的偏置矫正反馈放大器消除增益可调放大器的直流偏移。在放大器的增益达到饱和状态时，直流偏移会影响放大器的工作点而影响非线性性能。在偏移调控电路中的时间常数会影响芯片的上电时间，所以在对上电时间要求比较严格的情况下，可以通过外接交流短路电容来禁用偏移矫正功能。MAX 2 7 0 1采用3V的低

6、电压供电，正常工作状态下功率不超过0.5W，关断状态下功耗降低至6 0pWo基带I/Q两路信道带宽更是达到5 6MHZ，使它的适用范围较为广泛。其适用的系统包括1 无线本地环路，无线局域网;2 宽带直接序列扩频系统；3 双向M MDS;4 宽带2.4GHZISM频段无线电系统;5 数字微波系统。表1中列出了MAX2701的主要参数和性能指标。表12701的主要参数和性能指标电源电压+27+33混频增益18工作电流160双边带噪声系数128工作频率21002500基带带宽-12623基带 带宽-356增益16本振动率范围-16-10输入+38基带电压增益40 2应用实例在实际项目的设计中，笔者使

7、用MAX 2 7 0 1作为核心芯片，构建了一种用于卫星通信的接收机，整个接收机系统的功能模块简图如图2所 示。卫星接收机是无线通信系统中一种常见的接收装置，它最主要特点是 对接收灵敏度的要求很高。在本系统设计中，低噪声放大器采用了片外独立的模块，以期获得最 好的噪声系数特性。通过对样机的实测，系统中的LNA的噪声系数达2.0，优于MAX2701片上LNA的噪声特性。与此相适应，系统对本振频率的相位噪声、频率稳定度等指标的要求 也很高。它采用了Silico n的一款高性能的单片集成频率合成芯片。通过实测，其本振信号的特性完全达到了系统要求。此外，本系统要求高度小型化，采用以MAX 2 7 0

8、1为核心芯片的零中频结构，能最大程度地减小接收机的体积。图2中虚线框内的模块就是由MAX 2 7 0 1实现的，由此可见，其集成度是很咼的。2.1MAX2701芯片应用由于MAX2701采用了小48脚的TQFP EP封装，体积很小，高频端的布线必须考虑射频干扰。在本项目中，舍弃了片中LNA的使用。这无疑给布线带来了方便，同时减轻了避免射频干扰对布线带来的压 力，这也是为提高调试成功率所采取的措施之一。接收的射频调制信号经过低噪声放大器和高Q值带通滤波器以后，需 要作单端平衡变换后馈入MAX 2 7 0 1混频器前端buffe r的平衡输入端。如果采用Balu n线，一方面增加成本，另一方面占用

9、宝贵的版图布线空间，且易于引进串扰。在本系统中，射频链路上的增益已经能够满足设计要求，对省去Ba1 un线而引起的3dB增益损失有足够的储备。因此系统采用了最直接的单端馈入。在射频电路调试中，各级放大器、滤波器的匹配是一项很重要的工作。首先必须对LNA和MAX2701的隔离放大器输入端进行50 匹配；其次，在MAX 2 7 0 1的基带处理部分，它的I/Q两路两级4Q的量级个放大器的输出阻抗都很小，只有几个欧姆，而输入阻抗在2 k上。在设计低通滤波器时，这些都必须考虑到。在对本振信号的选取上，虽然MAX 2 7 0 1内部有一个可选的倍频模块，基频本振仍然是首选。MAX 2 7 0 1集成倍频

10、模块，主要是考虑到通过倍频功能来降低系统本振的频率，减轻本振设计的压力。但是这种倍频方案的主要缺点是MAX2701芯片内部的倍频电 路的非线性会恶化本振信号的相位噪声，这样相当于又对本振信号的相位 噪声提出更高的要求。同时，倍频非线性会产生更高次谐波，使得系统的功率效率降低，为 电路提供了潜在的谐振点，影响稳定性。此外，MAX 2 7 0 1的数据手册上所给出的实测数据显示，在本振信号频率超过1.2GHz后采用本振倍频方案的本振射频信号隔离度要比本振基频方案恶化近10dB。而本系统的频率恰恰就在此范围，所以采用了基频本振的方案。为了尽量减小版图尺寸，选用0 4 0 2封装的电感电容元件。但是，

11、元件尺寸的减小，一方面使得高频性能恶化，容差增大；另一 方面，物理尺寸在很大程度上限制了其量值的制造。同时，对于手工调试来说，元件过小不利于频繁更换，焊盘太小也很 容易受热脱落，造成整个电路板的损坏。在设计中，绝大部分基本元件采用了 0 6 0 3封装，但是在对器件高频性能要求较高的射频交流馈线电容，以及低通滤波器中要求有较大电感值的地方，仍旧采用0 8 0 5封装的贴片元件。从最终调试结果来看，效果很好。在调试过程中，发现芯片腹面有一块1公分见方的接地散热焊盘，它 能否良好接地对芯片的正常工作影响很大。为了确保良好接地散热，建议在这个焊盘正对的电路板上做如图3所 示的梅花通孔。在芯片焊上后，

12、再从背面滴注焊锡，达到良好接地。实际调试结果证明，这样的处理方法很有效。2.2低通滤波器设计I/Q两路基带信号被解调出后，必须通过各自的低通滤波器进行低通滤波。低通滤波器的带宽由基带调制信号的特性决定。-3d在本系统中，对基带接收滤波器的定义为通带3.5 MHzB 在6 MHz时衰减3 0dB，它是由一个4阶巴特沃思低通实现的。电感和电容都采用了典型常用值，并使用0 8 0 5的较大封装。基于MAX2701的布局使得I/Q两个基带的通道位于芯片的 对边，且引脚细密，如果直接把设计的4阶低通滤波器接入第一级或第二 级放大器后，板上布线将比较困难，信号线将绕行或经通孔转到背板通行。这就有可能使系统中基带解调信号与其它RF信号产生串扰从而使 性能受到影响。为了避免这种可能性，在实现这个低通滤波器时，采用了级联等效方 法，用两个2阶低通来等效所需的4阶低通滤波器。在HP AgilentsADS20 00中对这样的级联设计进行了仿真，图4是仿真结果和实测结果。图5样机低通滤波器频率响应通过对样机的测试实验，系统的主要性能指标，例如灵敏度、噪声系数、增益、带宽等都达到了设计要求，如图5所示。美信公司MAX2701是一款工