可消除IF階段的Othello無線電架構(gòu)介紹

簡介

ADI公司最近發(fā)布了革命性的AD6523零中頻收發(fā)器和AD6524多頻段合成器。 AD6523包含直接轉(zhuǎn)換接收器和直接VCO發(fā)送器所需的主要功能，稱為Virtual-IF ?發(fā)送器。它還包括本地振蕩器發(fā)生模塊和完整的片上穩(wěn)壓器，為無線電的所有有源電路供電。 AD6524是一款小數(shù)N分頻合成器，具有極快的鎖定時間，可通過蜂窩電話實現(xiàn)高級數(shù)據(jù)服務(wù)，如高速電路交換數(shù)據(jù)（HSCSD）和通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）。

兩個IC共同提供實現(xiàn)GSM手機(jī)雙頻或三頻無線電所需的主要功能。直接轉(zhuǎn)換技術(shù)與轉(zhuǎn)換環(huán)路（或直接VCO）調(diào)制器的新轉(zhuǎn)折相結(jié)合，將無線電所需的外部濾波量減少到絕對最小值。

GSM標(biāo)準(zhǔn)

全球移動通信系統(tǒng)（GSM）于1992年由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）編寫標(biāo)準(zhǔn)超過五年后正式啟動。 GSM的目標(biāo)是在一個數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)下統(tǒng)一歐洲通信的巴別塔。在GSM之前，歐洲實際上為每個國家保留了一個單獨(dú)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，使得在非洲大陸上進(jìn)行國際漫游幾乎是不可能的。使用GSM，原始17個國家中的任何一個國家的公民都可以使用單個蜂窩手機(jī)漫游到任何其他國家。該標(biāo)準(zhǔn)是在未來擴(kuò)展到數(shù)據(jù)服務(wù)和其他應(yīng)用程序時編寫的，很快在全世界廣受歡迎。它現(xiàn)已在140多個國家被接受，有200多個網(wǎng)絡(luò)正在運(yùn)行。

最初分配給GSM的頻段為移動發(fā)射890至915 MHz，移動接收935至960 MHz。該頻段擴(kuò)展到所謂的880至915 MHz和925至960 MHz的E-GSM頻段。另一個頻率分配是為了進(jìn)一步擴(kuò)大GSM容量。該頻段分配給數(shù)字通信業(yè)務(wù)（DCS），為1710至1785 MHz和1805至1880 MHz。所有采用GSM的國家都使用這兩對頻段中的一對，但美國除外，其中兩個頻段已由FCC分配。 20世紀(jì)90年代中期的個人通信服務(wù)（PCS）頻率拍賣為美國-1850至1910 MHz和1930至1990年的GSM提供了一系列頻段。

今天典型的GSM手機(jī)（或方便）將具有2W輸出功率，并且需要接收低至-102dBm（小于1/10皮瓦）的信號。方便的包括一個強(qiáng)大的數(shù)字信號處理器（DSP）內(nèi)核（相當(dāng)于ADSP-218x），用于編碼，加密，交錯，打包，發(fā)送，接收，解包，解交織，解密和解碼。數(shù)據(jù)來自和來自語音頻帶A / D和D / A轉(zhuǎn)換器。同樣強(qiáng)大的微控制器（ARM或Hitachi H8）與硬件突發(fā)處理器相結(jié)合，控制實現(xiàn)時分多址（TDMA）和跳頻功能所需的時序，以便在特定的時間和頻率頻道上保持電話呼叫。微控制器還實現(xiàn)了人機(jī)界面，并運(yùn)行了與基站通信的所有必要協(xié)議。

無線電架構(gòu)設(shè)計

今天大多數(shù)數(shù)字蜂窩電話至少包含一個“ “信號鏈中的下轉(zhuǎn)換”。該頻率轉(zhuǎn)換將所需信號從標(biāo)準(zhǔn)的分配RF頻帶（例如，在900MHz）移動到某個較低的中頻（IF），其中使用窄信道選擇濾波器（通常是表面聲波）執(zhí)行信道選擇。 （SAW）或陶瓷型）。然后將經(jīng)過濾波的信號進(jìn)一步下變頻到第二個IF或直接下變頻到基帶，然后在數(shù)字信號處理器（DSP）中進(jìn)行數(shù)字化和解調(diào)。

長期以來，對RF設(shè)計一直關(guān)注使用直接轉(zhuǎn)換接收器的想法。原因很明顯：在消費(fèi)設(shè)備轉(zhuǎn)換階段增加成本，體積和重量。每個轉(zhuǎn)換級需要一個本地振蕩器（通常包括一個頻率合成器將LO鎖定到給定頻率上），混頻器，濾波器和（可能）放大器。因此，難怪直接轉(zhuǎn)換接收器會很有吸引力。消除了所有中間階段，降低了接收器的成本，體積和重量。

第一款Othello ?無線電通過集成前端GSM，進(jìn)一步減少了元件數(shù)量低噪聲放大器（LNA）。這消除了消除圖像所需的RF濾波器（“圖像”濾波器），或者混頻器和片外LNA的不需要的混頻產(chǎn)品。該階段通常由分立晶體管實現(xiàn)，加上偏置和匹配網(wǎng)絡(luò)，總共約12個元件。集成LNA總共可節(jié)省大約15到17個組件，具體取決于（現(xiàn)已消除的）過濾器所要求的匹配量。

Superhomodyne ?直接轉(zhuǎn)換接收器

圖1顯示了Othello ?雙頻GSM無線電架構(gòu)的功能框圖。接收部分位于圖的頂部。從天線連接器，所需信號進(jìn)入發(fā)送/接收開關(guān)并在適當(dāng)?shù)穆窂缴贤顺?，GSM頻段為925-960 MHz，DCS為1805-1880 MHz。然后信號通過RF頻帶濾波器（所謂的“屋頂濾波器”），用于通過整個所需頻帶，同時衰減所有其他帶外頻率（阻塞 - 包括傳輸頻帶中的頻率）以防止它們使無線電前端的有源元件飽和。屋頂濾波器后面是低噪聲放大器（LNA）。這是系統(tǒng)中的第一個增益元件，有效地降低了所有后續(xù)級對系統(tǒng)噪聲的影響。在LNA之后，直接轉(zhuǎn)換混頻器通過將所需信號與相同頻率的本地振蕩器（LO）輸出相乘，將所需信號從射頻（RF）一直轉(zhuǎn)換到基帶。

然后將混頻器級的輸出以正交（I和Q通道）發(fā)送到可變增益基帶放大器級。 VGA還提供相鄰信道的一些濾波，以及帶內(nèi)阻塞的衰減。這些阻塞信號是距離所需信道一定距離的其他GSM信道，比如說3 MHz甚至更遠(yuǎn)?；鶐Х糯笃鲗@些信號進(jìn)行濾波，使其不會使接收ADC飽和。在放大器級之后，所需信號由接收ADC數(shù)字化。

Virtual-IF ?發(fā)送器

發(fā)送部分從右側(cè)開始，位于多路復(fù)用的I和Q輸入/輸出。由于GSM系統(tǒng)是時分雙工（TDD）系統(tǒng)，因此發(fā)送器和接收器永遠(yuǎn)不會同時打開。 Othello ?無線電架構(gòu)利用這一事實在收發(fā)器IC封裝上節(jié)省了四個引腳。正交發(fā)送信號通過多路復(fù)用I / O進(jìn)入發(fā)送器。然后將這些I和Q信號調(diào)制到中心頻率大于100 MHz的載波上。

調(diào)制器的輸出進(jìn)入相位頻率檢測器（PFD），在此處將其與a進(jìn)行比較。從外部信道選擇LO產(chǎn)生的參考頻率。 PFD的輸出是電荷泵，工作在100 MHz以上，其輸出由相當(dāng)寬（1 MHz）的環(huán)路濾波器濾波。環(huán)路濾波器的輸出驅(qū)動壓控振蕩器（VCO）的調(diào)諧端口，其頻率范圍覆蓋GSM和DCS發(fā)射頻段。

發(fā)送VCO的輸出被發(fā)送到兩個地方。主要路徑是發(fā)射功率放大器（PA），它將發(fā)射信號從大約+3 dBm放大到+35 dBm，將其發(fā)送到發(fā)射/接收開關(guān)和低通濾波器（衰減功率放大器諧波）。功率放大器是雙頻段，帶有簡單的CMOS控制電壓，用于頻段開關(guān)。 VCO輸出也通過耦合器傳送到發(fā)送反饋混頻器，耦合器是印刷電路，由分立電感器和電容器構(gòu)成，或者是單片（通常是陶瓷）耦合器件。反饋混頻器將發(fā)送信號下變頻到發(fā)送IF，并將其用作發(fā)送調(diào)制器的本地振蕩器信號。

這種類型的調(diào)制器有幾個名稱，但最具描述性的可能是“轉(zhuǎn)換循環(huán)” 。轉(zhuǎn)換環(huán)路調(diào)制器利用GSM標(biāo)準(zhǔn)的一個關(guān)鍵方面：調(diào)制方案是高斯濾波的最小移位鍵控（GMSK）。這種類型的調(diào)制不會影響包絡(luò)幅度，這意味著功率放大器可以飽和并且仍然不會使通過它發(fā)送的GMSK信號失真。

GMSK可以通過幾種不同的方式生成。在另一個歐洲標(biāo)準(zhǔn)（用于無繩電話）中，通過用高斯濾波數(shù)據(jù)流直接調(diào)制自由運(yùn)行VCO來創(chuàng)建GMSK。在GSM中，選擇的方法是正交調(diào)制。正交調(diào)制產(chǎn)生精確的相位GMSK，但是調(diào)制器電路（或上變頻級）中的缺陷會產(chǎn)生包絡(luò)波動，這反過來會在飽和功率放大器放大時降低相位軌跡。為了避免這種惡化，GSM手機(jī)制造商不得不使用具有更高線性度的放大器，其代價是降低每個電池充電周期的效率和通話時間。

平移環(huán)路調(diào)制器結(jié)合了直接調(diào)制VCO的優(yōu)勢和固有的更精確的正交調(diào)制。實際上，該方案創(chuàng)建了鎖相環(huán)（PLL），包括調(diào)制器，LO信號和VCO輸出和反饋混頻器。結(jié)果是直接調(diào)制的VCO輸出，具有完全恒定的包絡(luò)和幾乎完美的相位軌跡。在AD6523收發(fā)器IC中測量的相位軌跡誤差低至1.5度，使用信號發(fā)生器作為LO信號，為環(huán)路提供參考。

頻率規(guī)劃

奧賽羅?無線電設(shè)計的一個重要方面是頻率規(guī)劃。 GSM標(biāo)準(zhǔn)對帶內(nèi)和帶外雜散發(fā)射有嚴(yán)格的要求。 GSM蜂窩電話必須能夠承受極高電平（0 dBm）的阻塞，同時繼續(xù)正常接收。手機(jī)也不能向一定水平以上的其他頻段發(fā)射雜散信號（在GSM接收頻段，相對于發(fā)射信號為-112 dB?。?。

Othello ?無線電架構(gòu)的設(shè)計考慮了整個系統(tǒng)。頻率規(guī)劃經(jīng)過精心設(shè)計，以滿足三個同樣重要的標(biāo)準(zhǔn)：

通過滿足所有這些標(biāo)準(zhǔn)，主要的無線電問題已經(jīng)解決，始終牢記最終用戶和應(yīng)用。最終的解決方案既優(yōu)雅又實用。

減少無線電的雜散發(fā)射

無線電的雜散發(fā)射可能導(dǎo)致發(fā)射和接收模式出現(xiàn)問題。任性LO信號可以找到通向天線的路徑并“自阻止”直接轉(zhuǎn)換接收器，從而降低靈敏度。 LO信號也可以從天線輻射并降低其他接收器的性能。

在Othello ?頻率規(guī)劃中，本地振蕩器的中心頻率選擇為大約1350 MHz 。這使得戰(zhàn)略性地將LO放置在GSM和DCS頻帶之間，使得單個LO可以用于GSM和DCS，從而節(jié)省了組件。由于該頻率遠(yuǎn)離任何一個頻段，因此無線電的前端濾波器將衰減任何輻射的LO信號，因此它不會成為輻射雜散發(fā)射的問題。即使信號直接從IC上的引腳到引腳耦合，其功率電平也會低于天線接收到的帶內(nèi)或帶外阻塞的GSM要求。

在發(fā)送部分，雜散信號也可能造成問題。雖然發(fā)射器是直接VCO調(diào)制器，但反饋混頻器會在其輸出端引入雜散信號，必須在進(jìn)入相位檢測器之前對其進(jìn)行濾波。否則，由于相位檢測器輸入級的非線性操作，它們可能本身出現(xiàn)在輸出端或者由于與所需調(diào)制信號混合而導(dǎo)致其他寄生信號出現(xiàn)。這是任何轉(zhuǎn)換環(huán)路調(diào)制器固有的問題。通過使用分離頻率很高的LO頻率，Othello ?架構(gòu)簡化了這些產(chǎn)品的濾波。

最小化雙頻帶寬本地振蕩器VCO

Othello ?架構(gòu)旨在最大限度地減少構(gòu)建完整雙頻段無線電所需的外部組件數(shù)量。頻率規(guī)劃是專門選擇的，使單個LO VCO可以覆蓋GSM和DCS頻段，同時仍然滿足所有GSM LO VCO所需的3 MHz偏移所必需的嚴(yán)格相位噪聲規(guī)范。通過將VCO的帶寬要求保持在最低水平，VCO可以設(shè)計為最大電源電壓為2.7 V.這使得整個雙頻段無線電可以在2.7 V電壓下工作，從而降低功耗并實現(xiàn)鎳的使用 - 鎘（NiCd），鎳金屬氫化物（NiMH）或鋰離子（Li-ion）電池類型。

消除盡可能多的潛在阻斷劑

由于在直接轉(zhuǎn)換接收器架構(gòu)中，Othello ?無線電具有較少的“故障”通道，用于GSM所需的阻塞測試。由于所需的形狀因素，超外差接收器必須始終應(yīng)對難以用RF濾波器濾波的半IF響應(yīng)。通過直接轉(zhuǎn)換，Othello ?消除了半中頻響應(yīng)。

性能

奧賽羅無線電的一個主要優(yōu)勢是實現(xiàn)它所需的組件數(shù)量的減少不會導(dǎo)致性能損失。在GSM和DCS頻段，Othello ?系統(tǒng)噪聲系數(shù)允許從所需的接收器靈敏度-102 dBm產(chǎn)生約6 dB的產(chǎn)量。變送器提供類似的生產(chǎn)余量，相位軌跡誤差為2.5°rms，與5°rms的要求相比。

未來的好處

Othello ?無線電是AD6524的小數(shù)N分頻合成器具有足夠短的鎖定時間以支持GPRS操作。 [GPRS，即2000年GSM網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，將允許兼容的GSM手機(jī)使用非常高的數(shù)據(jù)速率。] GPRS操作的要求是LO合成器必須鎖定不到半個GSM時隙（鎖定時間小于250μs）。 AD6524具有分?jǐn)?shù)N合成器，能夠比傳統(tǒng)合成器更快地達(dá)到鎖定，因為分?jǐn)?shù)N類型的工作參考頻率高于通道間隔，因此每個參考周期跳過多個通道。對于AD6524，26 MHz參考頻率是系統(tǒng)晶振頻率的兩倍（與200 kHz的通道間隔相比），可確保Othello ?無線電滿足所需的鎖定時間GPRS?？焖冁i定時間還有助于通過允許基帶部分保持無線電關(guān)閉更長的時間間隔來降低功耗。

奧賽羅?無線電為此打開了新的機(jī)會之門未來。如今，完整的雙頻段奧賽羅無線電，包括所有電源管理功能，只需90個組件即可實現(xiàn)。由于組件很少，無線電可以在不到10平方厘米的電路板空間內(nèi)實現(xiàn)。圖2是奧賽羅的原型無線電設(shè)計照片，在四層PCB上實現(xiàn)。將其與超外差接收器進(jìn)行比較，該接收器現(xiàn)在使用大約225個元件，占用的電路板空間小于15平方厘米，用于相同的功能。 （即使這是對兩年前無線電的改進(jìn)，它使用相同數(shù)量的組件來實現(xiàn)單波段GSM無線電?。┲苯愚D(zhuǎn)換的優(yōu)勢直接轉(zhuǎn)化為更低成本的方式：更少的組件意味著原始 - 設(shè)備制造商（OEM）在物料清單（BOM）上花費(fèi)較少，而在插入組件時花費(fèi)較少（每次插入約一便士）。組裝手機(jī)的時間減少了，提高了工廠的吞吐量;并且手機(jī)的可制造性得到改善（焊接接頭數(shù)量減少等問題）可靠性提高。

由于Othello ?無線電可以如此緊湊，它們可以將GSM無線電技術(shù)整合到許多已被排除在外的產(chǎn)品中，例如非常小巧的手機(jī)或PCMCIA卡。然而，當(dāng)多功能第三代手機(jī)設(shè)計用于處理多種標(biāo)準(zhǔn)時，可以看到直接轉(zhuǎn)換的真正威力。通過直接轉(zhuǎn)換，硬件通道選擇濾波器將是不必要的，因為通道選擇是在數(shù)字信號處理部分中執(zhí)行的，可以對其進(jìn)行編程以處理多個標(biāo)準(zhǔn)。將其與超外差結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比;處理不同標(biāo)準(zhǔn)所需的多個無線電電路（因為每個都需要不同的信道選擇濾波器）都必須擠在一個小空間內(nèi)。通過直接轉(zhuǎn)換，相同的無線電鏈可以用于幾種不同的標(biāo)準(zhǔn)，帶寬和調(diào)制類型。因此，概念上，網(wǎng)絡(luò)瀏覽和語音服務(wù)可以通過手機(jī)中的相同無線電在GSM網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生。

ADI公司和GSM

未來，奧賽羅?無線電僅是ADI公司直接轉(zhuǎn)換接收器解決方案系列中的第一款。更多正在進(jìn)行中。但是這項技術(shù)在GSM行業(yè)近十年的產(chǎn)品設(shè)計中有充分的基礎(chǔ)。 ADI芯片可以在全球數(shù)百萬臺GSM手機(jī)中找到。