文章來源:地芯科技一、系統(tǒng)架構(gòu)
射頻收發(fā)機(jī)設(shè)計的第一步是確定系統(tǒng)性能指標(biāo),各項指標(biāo)的需求將直接決定系統(tǒng)架構(gòu)類型的選擇。例如,對于接收靈敏度和抗干擾能力要求較高的衛(wèi)星通信收發(fā)機(jī),選用超外差式收發(fā)架構(gòu)更為合適。該架構(gòu)中包含的多級高Q值濾波器能有效抑制鄰道干擾和電源噪聲。再例如,對于藍(lán)牙、對講機(jī)、GNSS(BDS/GPS/GLONASS/Galileo)等窄帶應(yīng)用,選用低中頻架構(gòu)會比零中頻更有優(yōu)勢,因?yàn)榈椭蓄l架構(gòu)能有效規(guī)避閃爍噪聲的影響。
接下來本文將以零中頻架構(gòu)為例,介紹射頻收發(fā)機(jī)的核心性能指標(biāo)和設(shè)計方法。零中頻架構(gòu)具有體積小、功耗低、成本低、便于集成、性能優(yōu)越等特性,目前占據(jù)市場主導(dǎo)地位,廣泛應(yīng)用于Wi-Fi,5G,收音機(jī)等。圖1為零中頻收發(fā)機(jī)的典型系統(tǒng)架構(gòu),它主要由接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和頻率綜合器三部分構(gòu)成。
圖1:零中頻收發(fā)機(jī)架構(gòu)
二、接收機(jī)設(shè)計
對于接收機(jī),我們需要考慮的主要性能指標(biāo)是噪聲系數(shù)(NF),線性度和增益調(diào)整范圍。對于零中頻架構(gòu),還需要考慮系統(tǒng)對于IQ失配和直流偏移的容忍度。1.噪聲系數(shù)(NF)噪聲系數(shù)的要求可以從系統(tǒng)靈敏度指標(biāo)計算得到:
其中,-174dBm/Hz為50Ω對應(yīng)的熱噪聲底噪,BW為接收信號帶寬,
為信號解調(diào)所需的最小SNR。例如,WiFi的11a/g協(xié)議要求誤碼率不超過10%,在64QAM調(diào)制下,對應(yīng)的
為18.3dB。若信號帶寬160MHz,靈敏度指標(biāo)-70dBm,則要求NF<3.7dB。
需要額外注意以下兩點(diǎn):
(1)考慮NF指標(biāo)時不可只考慮接收機(jī)自身。前端的射頻開關(guān)、巴倫等器件的衰減都會造成NF惡化。
(2)考慮NF指標(biāo)時不可只考慮小信號,鄰道干擾(ACS)、阻塞等大信號的存在很可能造成NF增大。2.線性度衡量接收非線性特性的常見指標(biāo)包括1dB增益壓縮點(diǎn)(P1dB)和輸入三階互調(diào)截點(diǎn)(IIP3)。P1dB是指接收增益下降1dB時的輸入功率,可由接收機(jī)最大輸入功率得到。例如:接收機(jī)最大輸入功率-20dBm,信號峰均比9dB,則P1dB至少為-11dBm。
IIP3是指三階互調(diào)功率達(dá)到與基波相等時的輸入功率。三階互調(diào)的產(chǎn)生有多種情況,通常分為帶內(nèi)IIP3和帶外IIP3。前者是指產(chǎn)生互調(diào)的兩個單音信號處于通帶內(nèi),后者則指產(chǎn)生互調(diào)的兩個單音信號處于通帶外。需要注意的是,很多資料均會指出P1dB和IIP3之間存在如下關(guān)系:
但此公式通常僅適用于帶內(nèi)IIP3。對于帶外IIP3,產(chǎn)生互調(diào)的兩個信號會受到接收濾波器的額外抑制。
3.增益調(diào)整范圍接收機(jī)通常會根據(jù)輸入信號功率進(jìn)行自動增益調(diào)整(AGC),以保證ADC輸入接近滿量程(此時ADC達(dá)到最優(yōu)SNR)。例如:ADC滿量程為+10dBm,輸入信號峰均比10dB,那么當(dāng)輸入功率從-65dBm增加到-25dBm時,接收增益需要從65dB降低到25dB。
需要注意的是,級聯(lián)系統(tǒng)的增益等于各級增益之和(單位dB)。當(dāng)系統(tǒng)從最大增益進(jìn)行回退時,各級增益的調(diào)整策略是一個重要問題。
通常優(yōu)先回退后級增益能最大程度減小增益回退時NF的惡化,但同時必須保證ACS或阻塞存在時,前級不會發(fā)生飽和。三、發(fā)射機(jī)設(shè)計對于發(fā)射機(jī),我們需要考慮的主要性能指標(biāo)是飽和功率(Psat),線性度,輸出功率調(diào)整范圍,以及IQ失配和輸出噪聲。
1.飽和功率(Psat)
當(dāng)發(fā)射機(jī)最后一級功率放大器(PA)的輸入功率增大到某一數(shù)值后,再加大輸入功率并不會改變輸出功率的大小,此時的輸出功率即為飽和功率。實(shí)際應(yīng)用中,我們更為關(guān)注的通常是最大線性輸出功率,即發(fā)射機(jī)輸出的誤差向量幅度(EVM)滿足系統(tǒng)需求時的最大輸出功率。例如:對于Wi-Fi的802.11a協(xié)議,最大線性輸出功率通常比飽和功率低7~10dB。
2.線性度在發(fā)射機(jī)的鏈路設(shè)計中,為了追求更好的線性度,通常遵循兩個原則:
(1)將盡可能高的增益分配給最后一級PA,以降低前級的輸出擺幅和線性度要求。
(2)盡可能減少發(fā)射鏈路中的放大級數(shù)。衡量發(fā)射機(jī)線性度的常見指標(biāo)包括輸出三階互調(diào)截點(diǎn)(OIP3)和CIM3(3rd-Order Counter Intermodulation)。前者是指三階互調(diào)功率達(dá)到與基波相等時的輸出功率,衡量的是輸出級PA的線性度。后者是衡量諧波混頻或基帶非線性造成的互調(diào)影響,存在多種產(chǎn)生機(jī)制,在此不做詳述。
3.輸出功率調(diào)整范圍
與接收機(jī)類似,當(dāng)發(fā)射機(jī)的輸出功率回退時,同樣要注意各級增益的調(diào)整策略。如果基帶輸出保持在較大擺幅,能最大程度減小直流偏移的影響,從而降低本振泄露。但此時,由于需要回退PA的增益,可能會造成PA能量效率的下降。
4.IQ失配和輸出噪聲
之所以這兩個指標(biāo)放在一起介紹,是因?yàn)樗鼈兪前l(fā)射機(jī)輸出功率回退時影響EVM的關(guān)鍵指標(biāo)。如圖2所示,當(dāng)輸出功率較大時,EVM通常主要受線性度影響。而當(dāng)輸出功率較低時,EVM將取決于輸出噪聲。在以上兩種情況的過度段,EVM會達(dá)到最優(yōu)值,此時EVM主要受IQ失配限制。
圖2:發(fā)射機(jī)EVM隨輸出功率變化曲線四、頻率綜合器由于具有強(qiáng)大的反饋跟蹤能力和對于相噪的抑制作用,Type II鎖相環(huán)(PLL)成為了當(dāng)前廣泛使用的頻率綜合器架構(gòu)。Type II PLL也被稱為電流泵PLL,主要由壓控振蕩器(VCO),鑒頻鑒相器(PFD),電流泵(CP),環(huán)路濾波器(LPF)和多模分頻器(MMD)組成(圖3)。
圖3:Type II PLL架構(gòu)框圖1.頻率計劃 ? ?設(shè)計頻率綜合器前,首先要確定頻率計劃。通信協(xié)議規(guī)定了頻率綜合器所需覆蓋的頻段范圍和信道帶寬,而應(yīng)用場景會提出需要支持的外部晶振頻率范圍。據(jù)此,我們將選擇合適的VCO數(shù)量和MMD分頻比的可調(diào)范圍。
在確定VCO數(shù)量時,通常遵循以下規(guī)則:單個VCO的頻率越高,所需覆蓋的頻率范圍越大,其相位噪聲也會越高。但VCO數(shù)量的增加不但會加大功耗和系統(tǒng)復(fù)雜度,還更容易發(fā)生振蕩器相互牽引。2.相位噪聲由于倒易混頻(Reciprocal Mixing)的存在,頻率綜合器的相位噪聲會污染接收信號。
根據(jù)系統(tǒng)對于鄰道干擾和阻塞的指標(biāo)要求,可以計算出對應(yīng)頻偏的相位噪聲或?qū)?yīng)頻段的積分相位噪聲指標(biāo)。在電路設(shè)計中,除了頻率綜合器中各個組成模塊的噪聲外,環(huán)路濾波器帶寬也會極大影響相位噪聲。頻率綜合器的噪聲可分為具有低通特性的環(huán)路噪聲(如電流泵噪聲)和VCO噪聲。如果系統(tǒng)要求較低的高頻(遠(yuǎn)端)相位噪聲,可以選取較寬的環(huán)路帶寬,從而更好地抑制VCO噪聲,反之亦然。
以上僅是簡單介紹如何將收發(fā)機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為模塊性能指標(biāo)的方法。在后續(xù)的文章中,我們會繼續(xù)介紹如何進(jìn)一步根據(jù)模塊性能指標(biāo)的需求選取特定的電路架構(gòu),完成收發(fā)機(jī)設(shè)計。
參考文獻(xiàn):
[1]. Behzad Razavi, “RF Microelectronics”, Pearson Education, 2011. ? ?
[2]. “Electronic Circuits, Systems and Standards: The Best of EDN”, Newnes_RM, 2016.
[3]. Thomas H. Lee, “The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits”, Cambridge University Press, 2003.