UMTS 基站接收器占板面积仅为半平方英寸

在满足宏蜂窝基站性能要求的前提之下，集成度究竟能够达到多高？工艺技术仍然限定某些重要的功能部件必须采用特殊工艺来制造：在射频（RF）领域采用GaAs和SiGe工艺，高速ADC采用细线CMOS工艺，而高品质因数（High-Q）滤波器则无法采用半导体材料很好地实现。此外，市场对于提高集成度的需求并没有停止。

考虑到上述问题，凌力尔特决定采用系统级封装（SiP）技术来开发占板面积约为1/2平方英寸（仅刚刚超过3cm2）的接收器。接收器的边界处有50ΩRF输入、50ΩLO输入、ADC时钟输入及数字ADC输出。该边界留待增加低噪声放大器（LNA）和RF滤波，用于输入、LO和时钟发生，以及数字输出的数字处理。在15mm x 22mm封装内是一个采用SiGe高频组件、分立无源滤波和细线CMOS ADC的信号链路。

本文将对LTM9004微型模块（μModule）接收器（一款直接转换接收器）进行设计分析。

设计目标

设计目标是通用移动通信系统（UMTS）上行链路频分双工（FDD）系统，特别是处于工作频段I的中等覆盖范围基站（详见3GPP TS25.104 V7.4.0规范）。对于接收器而言，灵敏度是一个主要的考虑因素，输入信噪比（SNR）为-19.8dB/5MHz时，所要求的灵敏度≤-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是一款采用了I/Q解调器、基带放大器和双通道14位125Msps ADC的直接转换接收器（如图1所示）。LTM9004-AC低通滤波器在9.42MHz频率下具有一个0.2dB的拐角，从而允许4个WCDMA载波。LTM9004可与RF前端一起使用，构成一个完整的UMTS频段上行链路接收机。RF前端由一个双工器以及一个或多个低噪声放大器（LNA）和陶瓷带通滤波器组成。为最大限度地减低增益和相位失衡，基带链路采用了一种固定增益拓扑结构。因此，在LTM9004之前需要布设一个RF可变增益放大器（VGA）。这里给出了此类前端的典型性能示例：

• 接收（Rx）频率范围：1920MHz至1980MHz
• RF增益：15dB （最大值）
• 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（Tx）频段上的抑制：96dB

 

图1：在LTM9004微型模块接收器中实现的直接转换架构

 

考虑到RF前端的有效噪声影响，由LTM9004所引起的最大可容许噪声必须为-142.2dBm/Hz.LTM9004的典型输入噪声为-148.3dBm/Hz，由此计算出的系统灵敏度为-116.7dBm.

通常，此类接收器可受益于ADC之后的某些数字化信号之DSP滤波。在这种情况下，假设DSP滤波器是一个具有α= 0.22的64抽头RRC低通滤波器。为了在出现同信道干扰信号的情况下工作，接收器在最大灵敏度下必须拥有足够的动态范围。UMTS规范要求最大同信道干扰为-73dBm.请注意，对一个具有10dB峰值因数的已调制信号而言，在LTM9004的IF通带之内，-1dBFS的输入电平为-15.1dBm.在LTM9004输入端，这相当于-53dBm，或者-2.6dBFS的数字化信号电平。

当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。这种要求最终将LTM9004必须提供的最大信号之大小设定在-1dBFS或其以下。规范中所要求的最小路径损耗为53dB，且假定手机的平均功率为+28dBm.那么在接收器输入端，最大信号电平即为-25dBm.这等效于-14.6dBFS的峰值。

UMTS系统规范中详细说明了几种阻断信号。在存在此类信号的情况下只允许进行规定了大小的减敏，灵敏度指标为-115dBm.其中的第一种是一个相距5MHz的相邻信道，其电平为-42dBm.数字化信号电平的峰值为-11.6dBFS.DSP后处理将增加51dB抑制，因此，这个信号在接收器输入端相当于一个-93dBm的干扰信号。最终的灵敏度为-112.8dBm.

而且，接收器还必须与一个相隔≥10MHz的-35dBm干扰信道竞争。μModule接收器的IF抑制将使这个干扰信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，其在接收器输入端上相当于-89.5dBm，最终的灵敏度为-109.2dBm.

另外，还必须考虑到带外阻断信号，但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，已调制信道的峰值因数将大约在10dB ~ 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连续波（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.此时，这种电平值的信号仍然不允许降低基带μModule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。

另一个不想要的干扰信号功率源来自发送器的泄漏。因为这是一种FDD应用，所以此处描述的接收器将与一个同时工作的发送器相耦合。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输入端上出现的泄漏为-31.5dBm，相对于接收信号的偏移至少为130MHz.等效的数字化电平峰值仅为-76.6dBFS，因此不会降低灵敏度。

直接转换架构的一个挑战是二阶线性度。二阶线性度不理想将允许任何期望的或不期望的信号进入，这将引发基带上的DC失调或伪随机噪声。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各种情况下，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.如我们在上文中看到的那样，这种阻断信号在接收器输入端上构成了一个-15dBm的干扰信号。LTM9004输入所产生的二阶失真大约比热噪声低16dB，结果，预测的灵敏度为-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失调。DC失调是不希望有的，因为它减小了A/D转换器能够处理的最大信号。一种减轻DC失调影响的可靠方法是，确保基带μModule接收器的二阶线性度足够高。在ADC的输入端，由于这一信号所产生的预测DC失调 <1mV。
 

请注意，系统规范中并不包括发送器泄漏。所以，因这一信号产生的灵敏度下降必须保持在最低限度。发送器的输出电平假定为 ≤ +38dBm，与此同时，“发送至接收”隔离为 95dB。LTM9004 中产生的二阶失真导致的灵敏度损失将 <0.1dB。
 

在规范中对于三阶线性度仅有一个要求。这是在存在两个干扰信号的情况下，灵敏度不得降至低于 -115dBm。这两个干扰信号是一个 CW 音调和一个 WCDMA 信道，它们的大小均为 -48dBm。这些干扰信号均以 -28dBm 的大小出现在 LTM9004 的输入端。它们的频率与期望的信道相隔 10MHz 和 20MHz，因此，三阶互调分量将位于基带上。此时这个分量仍然以伪随机噪声的形式出现，因而致使信噪比降低。LTM9004 中产生的三阶失真比热噪声层大约低 20dB，预计的灵敏度下降值 <0.1dB。


测量性能

通过采用图2中示出的评估板，LTM9004-AC获得了优异的测试结果（如图3和4所示）。测试装置包括两个用于RF和LO的Rohde Schwarz SMA 100A信号发生器以及一个用于ADC时钟和TTE嵌入式滤波器的Rohde Schwarz SMY 01发生器。

 

图2：设计一款完整接收器所需的外部电路极少

 

 

图3：单音调FFT

 

 

图4：基带频率响应
 

采用5V和3V电源时，LTM9004-AC的总功耗为1.83W.其AC性能包括72dB/9.42MHz SNR和66dB SFDR.

结论

LTM9004不但拥有UMTS基站应用所需的高性能，而且还提供了对于紧凑型设计而言必不可少的小尺寸和高集成度。通过运用SiP技术，这款μModule接收器可采用以最优工艺（SiGe、CMOS）制作的组件及无源滤波器元件。