【无线射频通信】-半英寸 UMTS 基站接收器简介

----宋停云与您分享--------宋停云与您分享----半英寸UMTS基站接收器简介在满意宏蜂窝基站性能要求的前提下，能达到多高的集成度？工艺技术仍旧限定某些重要的功能部件必需运用特别的工艺来制造：在射频（RF）领域采纳GaAs和SiGe、高速ADC采纳细线CMOS，而高品质因数滤波器则无法使用半导体材料得以很好地实现。此外，市场还需要更高的密度。

考虑到上述问题，我们打算用系统级封装（SiP）技术来开发占用约1/2平方英寸（刚刚大于3cm2）面积的接收器。接收器的边界是50ΩRF输入、50ΩLO输入、ADC时钟输入及数字ADC输出。这留待增加LNA与RF滤波以用于输入、LO和时钟发生、和数字输出的数字处理。在15mmx22mm封装内，是采纳SiGe高频组件的信号链路、分立式无源滤波和细线CMOSADC。

以下是对两个微型模块（μModule？）产品进行的设计分析：一个是实现直接转换接收器的LTM9004；另一个是实现IF采样接收器的LTM9005。

设计目标

设计目标是UMTS上行链路FDD系统，特殊是处于工作频段I的中等掩盖区域基站（详见3GPPTS25.104V7.4.0规范）。就接收器而言，灵敏度是一个主要的考虑因素，在输入信噪比（SNR）为-19.8dB/5MHz时，要求为≤-111dBm。这意味着，接收器输入端的有效噪声层必需≤-158.2dBm/Hz。

设计分析─零IF或直接转换接收器

LTM9004是一款直接转换接收器，采纳了I/Q解调器和基带放大器以及双14位、125MspsADC，如图1所示。LTM9004-AC低通滤波器在9.42MHz处有一个0.2dB的转角，从而允许4个WCDMA载波。LTM9004可与一个RF前端一起使用，以构成一个完整的UMTS频带上行链路接收器。RF前端由一个双工器以及一个或多个低噪声放大器（LNA）及陶瓷带通滤波器组成。为了最大限度地降低增益和相位失衡，基带链路采纳了固定增益拓扑，因此在LTM9004之前需要一个RF可变增益放大器（VGA）。以下是此类前端的典型性能例子：

接收器频率范围：1920至1980MHz

RF增益：最大值为15dB

自动增益掌握（AGC）范围：20dB

噪声指数：1.6dB

IIP2：+50dBm

IIP3：0dBm

P1dB：-9.5dBm

20MHz时的抑制：2dB

发送器频带上的抑制：96dB

图1：在LTM9004微型模块接收器中实现的直接转换架构

OFFSETADJUST：偏移调整

DCOFFSETCONTROL：DC偏移掌握

考虑到RF前端的有效噪声贡献，LTM9004引起的最大可允许噪声必需是-142.2dBm/Hz。LTM9004的典型输入噪声是-148.3dBm/Hz，据此计算出的系统灵敏度为-116.7dBm。

一般状况下，此类接收器可受益于ADC之后的数字化信号的某些DSP滤波。在该场合中，假设DSP滤波器是一款具有α=0.22的64抽头RRC低通滤波器。为了在存在同通道干扰信号的状况下运作，接收器在最大灵敏度下必需拥有足够的动态范围。UMTS规范所要求的最大同通道干扰源为-73dBm。

请留意，就一个具10dB波峰因数的已调信号而言，在LTM9004IF通带内-1dBFS的输入电平为-15.1dBm。在LTM9004输入端，这相当于-53dBm，或-42.6dBFS的数字化信号电平。

RF自动增益掌握（AGC）设定为最小增益时，接收器必需能从手机中解调出估计所需的最大信号。这种要求最终设定了在或低于-1dBFS时，LTM9004必需供应的最大信号。规范中规定的最小通路损耗为53dB，而且假定手机的平均功率为+28dBm。那么在接收器输入端，最大信号电平就是-25dBm。这等效于-14.6dBFS的峰值。

UMTS系统规范中具体说明几种阻断信号。在存在此类信号的状况下只允许进行规定大小的减敏；灵敏度指标为-115dBm。其中的第一种是一个相距5MHz的邻近通道（处于-42dBm的功率级）。数字化信号电平峰值是-11.6dBFS。DSP后处理增加51dB抑制，因此在接收器输入端，这个信号相当于一个-93dBm的干扰信号。结果灵敏度为-112.8dBm。

接收器还必需与一个相隔≥10MHz的-35dBm干扰通道相竞争。微型模块接收器的IF抑制将使这个干扰通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，该干扰通道在接收器输入相当于-89.5dBm，结果灵敏度为-109.2dBm。

还必需考虑到带外阻断信号，但是这些带外阻断信号的电平与已经争论过的带内阻断信号相同。

在全部这些场合中，LTM9004的-1dBFS典型输入电平均远远高于最大预期信号电平。请留意，调制通道的波峰因数将大约在10至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-15dBmCW音调（超过接收频段边缘≥20MHz）。RF前端将对这个音调供应37dB抑制，因此它消失在LTM9004的输入端时将为-32dBm。在这里，这种电平值的信号仍旧不得降低基带微型模块接收器的灵敏度。等效的数字化电平峰值仅为-41.6dBFS，因此对灵敏度没有影响。

另一个不想要的信号功率源是来自发送器的泄漏。由于这是一个FDD应用，所以这里描述的接收器将是与一个同时工作的发送器耦合的。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输入端消失的泄漏为-31.5dBm，相对于接收信号偏移至少130MHz。等效的数字化电平峰值仅为-76.6dBFS，因此没有降低灵敏度。

直接转换架构的一个挑战是二阶线性度。二阶线性度不够将允许想要或不想要的任何信号，以引起基带的DC偏移或伪随机噪声。假如这种伪随机噪声接近接收器的噪声电平，那么上面具体争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每种状况下，系统规范都允许灵敏度降低。根据系统规范的规定，-35dBm阻断通道可以使灵敏度降至-105dBm。如我们在上面看到的那样，这种阻断信号在接收器输入端构成了一个-15dBm的干扰信号。LTM9004输入端产生的二阶失真大约比热噪声低16dB，结果猜测灵敏度为-116.6dBm。

-15dBm的CW阻断信号还将导致二阶重量，在这种状况下该重量是一个DC偏移。DC偏移是不想要的，由于它减小了A/D转换器能处理的最大信号。一种减轻DC偏移影响的牢靠方法是，确保基带微型模块接收器的二阶线性度足够高。在ADC输入端，由于这一信号而产生的猜测DC偏移1mV。

请留意，发送器泄漏不包括在系统规范中，因此由于这一信号而产生的灵敏度下降必需保持到最小。发送器输出电平假定为≤+38dBm，同时发送至接收的隔离为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3阶线性度仅有一个要求。这就是在两个干扰信号存在的状况下，灵敏度不得降至低于-115dBm。这两个干扰信号是一个CW音调以及一个WCDMA通道，每个的大小都是-48dBm。这些干扰信号每个都以-28dBm的大小消失在LTM9004的输入端。它们的频率与想要的通道相隔10MHz和20MHz，因此3阶互调重量落在基带上。这里，这个重量仍旧以伪随机噪声形式消失，因此将使信噪比降低。LTM9004中产生的3阶失真大约比热噪声层低20dB，猜测灵敏度降低0.1dB。

设计分析-140MHzIF采样接收器

LTM9005是一款IF采样接收器，采纳了一个下变频混频器、IF放大器以及一个可变衰减器、一个表面声波（SAW）滤波器和一个14位、125MspsADC，如图2所示。LTM9005-ABSAW滤波器的中心频率为140MHz，带宽为20MHz，允许4个WCDMA载波。LTM9005-AB可与一个如上所述的类似RF前端一起使用，以构成一个完整的UMTS频带上行链路接收器。在这种状况下，一个合适的前端应当有14.5dB的最大RF增益。

图2：在LTM9005微型模块接收器中实现的IF采样架构

以下是LTM9005-AB的典型关键性能规范：

-1dBFS信号输入：-17.8dBm

输入噪声电平：-158dBm/Hz

IIP3

IF内有两个音调：+17.7dBm

IF外有两个音调：+19dBm

P1dB（IF通带外）：+8.8dBm

IF通带外抑制：40dB

LTM9005-AB的典型输入噪声为-158dBm/Hz。考虑到RF前端噪声，在最大RF增益时，猜测系统灵敏度为-122.2dBm。

UMTS规范要求最大同通道干扰信号为-73dBm。在接收器设定为最大增益时，到达微型模块接收器输入端的电平为-58.5dBm。请留意，已调通道的波峰因数将在10至12dB，因此这个信号在微型模块接收器输入端将达到约-48.5dBm的峰值功率。这在ADC输入端相当于-31.7dBFS。

在RFAGC设定为最小增益、手机平均功率为+28dBm时，该规范中规定的最低通路损耗为53dB。那么在接收器输入端，最大信号电平就是25dBm。这一条件限定了微型模块接收器之前可设定的最大RF增益。假定RFAGC范围为20dB，那么在LTM9005-AB输入端的信号电平就是-30.5dBm。考虑到波峰因数，那么在微型模块接收器输入端，这个信号将达到约-20.5dBm的峰值功率。这在ADC处相当于-3.7dBFS。

假定在阻断信号存在的状况下，接收器设定为最大RF增益。灵敏度规范仍旧为-115dBm。请留意，一旦接收到的信号数字化了，那么其他带通滤波将利用DSP来完成。假定这运作有20dB的抑制因数。

在这些阻断信号中，第一个是电平为-52dBm的相邻通道阻断信号。该微型模块接收器的IF抑制为40dB，DSP后处理另增加20dB。因此在接收器输入端，这信号相当于-114.5dBm的干扰信号，数字化信号的电平为-50.7dBFS。结果灵敏度为-122.2dBm。

该接收器还必需与相隔≥10MHz的-40dBm干扰通道相竞争。这里，RF前端仍旧不供应对这个通道的抑制，但是微型模块接收器的IF和DSP抑制将衰减该通道信号，使其在接收器输入端的等效电平为-102.5dBm。这相当于-38.7dBFS的数字化信号电平，而且所产生的灵敏度为-119.8dBm。

在全部这些状况下，LTM9005-AB的-1dBFS典型输入电平都远高于最大预期的阻断信号电平。请留意，所产生的灵敏度全部在规范规定的-115dBm范围之内。

带外阻断信号也必需考虑，最大的是-15dBmCW音调，位于接收频带边沿之外≥20MHz之处。RF前端将对这个音调供应约37dB抑制，而且IF滤波器将另供应40dB的衰减。考虑到DSP抑制，那么这个音调的电公平于-114.5dBm。那么所产生的灵敏度为-122.2dBm，数字化信号电平为-60.7dBFS。

发送器输出电平假定为≤+38dBm，发送至接收隔离为95dB。考虑到IF和DSP抑制，那么在接收器输入端的等效电平为-119.5dBm或-55.7dBFS。结果灵敏度为-122.2dBm，这也在规范规定的-115dBm范围之内。

就3阶线性度而言，在两个干扰信号存在的状况下，灵敏度不得降至低于-115dBm。这些干扰信号是一个CW音调和一个WCDMA通道，每个的电平都为-48dBm。这些干扰信号均以-33.5dBm的电平消失在LTM9005-AB的输入端。它们的频率与想要的通道相隔10MHz和20MHz，因