半英寸UMTS基站接收器设计

　　在满足宏蜂窝基站性能要求的前提下，能达到多高的集成度? 工艺技术仍然限定某些重要的功能部件必需运用特殊的工艺来制造：在射频 (RF) 领域采用 GaAs 和 SiGe、高速 ADC 采用细线 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，我们决定用系统级封装 (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 50Ω RF 输入、50Ω LO 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 15mm x 22mm 封装内，是采用 SiGe 高频组件的信号链路、分立式无源滤波和细线 CMOS ADC。

　　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，特别是处于工作频段 I 的中等覆盖区域基站 (详见 3GPP TS25.104 V7.4.0 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须 ≤ -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，采用了 I/Q 解调器和基带放大器以及双 14 位、125Msps ADC，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，基带链路采用了固定增益拓扑，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

　　自动增益控制 (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 LTM 9004 微型模块接收器中实现的直接转换架构

　　OFFSET ADJUST：偏移调节

　　DC OFFSET CONTROL：DC 偏移控制

　　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须是 -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。

　　一般情况下，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情况下运作，接收器在最大灵敏度下必须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。

　　请注意，就一个具 10dB 波峰因数的已调信号而言，在 LTM9004 IF 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 自动增益控制 (AGC) 设定为最小增益时，接收器必须能从手机中解调出 预计所需的最大信号。这种要求最终设定了在或低于 -1dBFS 时，LTM9004必须提供的最大信号。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 系统规范中详细说明几种阻断信号。在存在此类信号的情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。

　　接收器还必须与一个相隔 ≥ 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。

　　还必须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讨论过的带内阻断信号相同。

　　在所有这些场合中，LTM9004 的 -1dBFS 典型输入电平均远远高于最大预期信号电平。请注意，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 -15dBm CW 音调 (超过接收频段边缘 ≥ 20MHz)。RF 前端将对这个音调提供 37dB 抑制，因此它出现在 LTM9004 的输入端时将为 -32dBm。在这里，这种电平值的信号仍然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。因为这是一个 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 输入端出现的泄漏为 -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。如果这种伪随机噪声接近接收器的噪声电平，那么上面详细讨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情况下，系统规范都允许灵敏度降低。按照系统规范的规定，-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，结果预测灵敏度为 -116.6dBm。

　　-15dBm 的 CW 阻断信号还将导致二阶分量，在这种情况下该分量是一个 DC 偏移。DC 偏移是不想要的，因为它减小了 A/D 转换器能处理的最大信号。一种减轻 DC 偏移影响的可靠方法是，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预测 DC 偏移 < 1mV。

　　请注意，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须保持到最小。发送器输出电平假定为 ≤+38dBm，同时发送至接收的隔离为 95 dB。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情况下，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 的大小出现在 LTM9004 的输入端。它们的频率与想要的通道相隔 10MHz 和 20MHz，因此 3 阶互调分量落在基带上。这里，这个分量仍然以伪随机噪声形式出现，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 20 dB，预测灵敏度降低 < 0.1 dB。