无线系统小型化的挑战与发展趋势

本文通过德州仪器（TI），赫梯（Hittite）和莱姆微系统公司（Lime Microsystems）的实例，探讨了减小无线系统尺寸和功耗的不同趋势。从数字基带到高度集成的RF CMOS技术和新材料，以减小功率放大器和无线功率器件的尺寸，无线小型化的驱动有许多复杂的工程权衡。组件设计也是趋势中的关键部分，可重新配置的无线设备集成了更多的系统组件，以减小系统板的整体尺寸。

连接世界的需求日益增长，推动无线系统变得越来越小。能够将无线链接装入牙刷，甚至是一对骰子，是物联网（IoT）不断增加的一部分，而空间是一个关键的设计标准。然而，对于无线系统中的小型化存在许多不同的优化。短距离，低功耗无线收发器受益于CMOS制造技术的扩展，现在代工厂供应商包括28纳米和20纳米侵蚀性工艺节点上的RF库。这些过程允许2.4 GHz的Wi-Fi或蓝牙收发器集成在与基带MAC协议处理器相同的芯片上，因此可提供几平方毫米的高性能无线链路。例如，德州仪器（TI）的CC3100是采用9 x 9 mm QFN封装的Wi-Fi网络处理器子系统。除了完全卸载主机MCU的专用ARM MCU外，该设备还包括802.11 b/g/n无线电，基带和带加密引擎的MAC，可通过256位加密实现快速，安全的Internet连接。所有这些都减少了物联网Wi-Fi节点的占地面积，CC3100支持Station，Access Point和Wi-Fi Direct模式以及嵌入式TCP/IP和TLS/SSL协议栈，HTTP服务器和多种Internet协议。 》集成电源管理子系统增强了小型化，该子系统包括支持各种电源电压的集成DC-DC转换器。这实现了低功耗模式，例如具有RTC模式的“休眠”需要大约4μA的电流，并且不需要占用额外电路板空间的外部电源管理器件。

CC3100器件可以连接到任何8 SPI或UART接口上的16位或32位MCU和器件驱动器可最大限度地减少主机内存占用空间要求，只需少于7 KB的代码存储空间和700字节的RAM用于TCP客户端应用程序，从而减少了对外部存储器的需求。

图1：为德州仪器CC3100集成CPU和无线电，可以缩小Wi-Fi系统的尺寸。

在相对短距离的应用中，通过关注单个频率和单个协议使得这种小型化成为可能，但是无线系统中的小型化挑战通常来自频带的多样性和性能要求。解决性能需求的一种方法是使用多个天线和多个信号链，但这已经扩展而不是减小了解决方案的规模。在这种情况下，针对性很强的集成，可以帮助减少多频段，多标准蜂窝基站分集接收机，MIMO的基础设施和宽带接收机RF前端的整体规模。结果例如，赫梯的HMC1190LP6GE是一个高线性双通道下变频器，集成PLL/VCO，采用6 x 6 mm QFN封装。它从700MHz到3.5GHz的操作并且特别适用于需要一个紧凑和低功率解决方案的多标准接收机应用而设计的，点击结果，图2：本HMC1190LP6GE双通道下变频器集成减少多通道MIMO基站大小的多种元素。

集成相位检测器（PD）和delta-sigma调制器能够在高达100 MHz的频率下工作。允许更宽的环路带宽，PLL/VCO部分可以相位调整和同步多个RF设备，实现可扩展的MIMO和波束成形无线电架构。附加PLL/VCO功能包括一个可配置的输出静音功能，一个精确的频率模式，使这两种产品，以产生具有0赫兹的频率误差和同步改变频率，而不改变输出信号的相位的能力分数的频率。结果，与传统的窄带下变频器，HMC1190LP6GE支持所有RF频率的高端和低端LO注入，集成LO和RF巴伦。这使得能够控制IF和LO放大器以及偏置控制接口到高线性度无源混频器内核，这种平衡无源混频器与高线性IF放大器架构的结合提供了出色的LO到RF，LO到IF，以及RF到IF隔离，减少了对外部滤波器的需求。通过集成可编程RF输出相位功能，可以轻松同步多个器件，以构建可扩展的MIMO和波束成形无线电架构。

软件定义无线电

创新芯片和系统设计的结合可以显着减少无线系统必须支持全球多个频率。 Lime Microsystems的LM6002软件无线电收发器支持300 KHz至3.8 GHz的任何频段，包括世界上几乎所有流行的无线链路。

可重配置架构允许支持不同类型的协议，以不同方式配置芯片内的ADC，混频器和滤波器，以创建不同的上行链和下行链。这样就不需要为每个频段提供单独的信号链，从而大大减小了无线前端的尺寸，并为设计人员提供了更大的设计灵活性。能够在世界各地出货并为每个不同区域轻松配置的设计可以节省生产，测试和产品管理成本。

能够在更小的尺寸上实现这一点，大大有助于小型化整个系统。发送器和接收器均实现为零IF架构，提供高达28 MHz的调制带宽（相当于14 MHz基带IQ带宽）。在发送端，来自基带处理器的IQ DAC采样通过12位多路复用并行CMOS输入电平总线提供给LMS6002D。模拟IQ信号由芯片上的发送DAC生成并馈送到TXINI和TXINQ输入，低通滤波器消除DAC的零保持效应产生的伪像。

图3：LM6002D软件定义无线电RF前端支持单个设备中的大多数无线频段。

然后，在TXVGA1中放大IQ信号，并添加DC偏移以抵消来自本地的泄漏振荡器。然后将IQ信号与发送PLL输出混合以产生调制的RF信号。然后，这个RF信号被两个独立的可变增益放大器分离和放大，两个片外输出作为RF输出提供。

LMS6002D还提供RF环回选项，允许RF信号反馈到用于校准和测试目的的基带。这通过辅助PA（AUXPA）放大，以增加环路的动态范围，同时也减少了RF前端的整体占用空间。

在接收端，提供三个独立的输入，每个输入都有专用低噪声放大器（LNA）。在由可编程低噪声放大器（RXLNA）提升后，信号与接收PLL（RXPLL）输出混合，直接向下转换为基带。产生的模拟IQ信号在接收ADC中转换为数字域，并通过多路复用的12位CMOS输出电平并行总线提供给基带处理器。

可驱动尺寸减小的可配置多频段操作来自两者发送器输出和三个接收器输入由一组内部寄存器控制，可通过串行端口访问为了实现全双工操作，LMS6002D包含两个独立的合成器，均由相同的参考时钟驱动，无需两个芯片，有助于进一步减少前端的占用空间。

Lime也采用了通过允许设计人员访问LM6002中的各个组件，进一步缩小系统尺寸的机会。如果在配置中未使用ADC或滤波器等元件，则设计人员可以访问这些元件并将其用于设计的其他部分，从而避免在电路板上使用额外的元件。例如，通过闭合RXOUT开关并关断RXVGA2，RXOUTI和RXOUTQ引脚可用作IQ ADC输入。在这种配置中，ADC可用于测量两个外部信号，例如片外PA温度传感器或峰值检测器。

所有这些都满足了对无线系统小型化日益增长的需求。

结论

小型化是无线系统中引人注目的趋势，物联网推动了各种设备对无线连接的需求。然而，还有许多其他无线应用，小型化需要其他工程权衡，同样重要。通过使用软件定义的无线电架构可以减小多频带系统的尺寸，而MIMO架构和天线分集可以提高各种基站的性能，其中集成选项非常不同。这与功耗，干扰和同步相平衡，突出了RF系统持续小型化的挑战。