超小型ＧＳＭ射頻收發解決方案設計考慮

現代蜂窩手機設計對收發器部分的要求比較嚴格，雖然手機的射頻收發部分通過復雜的軟件與用戶界面完全分開，但是為了使手機滿意工作收發器部分是絕對重要的。美國模擬器件公司通過選擇最高集成度的芯片并且精心布線，能夠實現1．5cm²外形尺寸先進的GSM／GPRS收發器。這樣可構成僅由三片關鍵芯片組成的信號鏈路。

·完全集成收發器半導體集成電路(IC)

·集成收發(T／R)開關和功率放大器

·與集成電路匹配的表面聲波(SAW)濾波器模塊

然而，必須注意這種高集成度芯片確保它們完全兼容，從而降低了電路設計工程師優化性能的靈活性。目前由芯片供應商提供的系統級確認也是極其重要的，以確保能夠產品的性能和滿足面世時間的要求。

系統設計

由第三代合作伙伴計劃(3GPP)開發的稱為3GPPTS45．005的GSM技術規范規定了最低射頻(RF)性能。在早期收發器系統的設計中，必須先將GSM技術規范正確地轉化為設計參數，然后對系統各部分起作用的每個單元分配預算。如果某個單元是單獨的器件，那么各器件供應商之間的技術指標應相互兼容以滿足總體性能目標的要求。在完全集成壓控振蕩器(VCO)、儲能電路和濾波器的收發器設計中，滿足系統級技術指標的責任在于芯片供應商。因此用合適的系統分析工具驗證系統體系結構非常重要。下表說明了對GSM收發器技術規范起主要作用的各單元電路的技術參數。

在利用共享RF頻譜資源時，其發射器部分應根據通信網絡性質受GSM技術指標的嚴格控制。這可以確保有效地管理網絡并且避免受手機用戶頻譜之間的影響而降低質量。最后必須使用頻譜屏蔽技術，這對于避免發射機在接受頻帶內產生阻塞其它用戶信道的無用雜散輸出或噪聲是必需的。轉換環路體系結構為發射部分提供一種高集成度解決方案，并且正確設計使得在發射部分無需外部濾波器。對于雙頻帶或四頻帶GSM設計其受益會更大。

從表1可看出，發射機的性能取決于收發器和功放的設計及實現。

當代收發器的接收機部分全部采用完全集成的有源電路。僅需的外部元件是接收機前端的開關和頻帶選擇SAW濾波器。濾波器用來在有很強的帶外阻塞信號情況下確保高性能。但是仍然存在個別難題，例如RF頻譜不受網絡運營商控制，因此其易受來自其它通信系統的大功率信號和其它電子設備(例如，微波爐和汽車點燃系統等)引起的干擾的影響。

如果為接收機選擇直接變頻體系結構，我們就會獲得幾項重要的益處，從而允許使用完全集成設計來滿足GSM規范。

·降低接收機信號鏈路的復雜程度

·需要單獨的本機振蕩器(LO)

·完全消除象頻

·位于基帶的中頻(IF)器件使用更小電流支持內置濾波功能

這種體系結構的優勢是為客戶帶來了高性能價格比的集成解決方案的好處。由于單獨的LO最大程度減小了晶振串擾和耦合(晶振串擾和耦合會降低選擇信道的靈敏度，產生有害的雜散響應或是造成手機在產品定型或網絡互通性測試階段失效的雜散發射)，所以其具有高集成度解決方案的優點。這些問題難以預測并且對外部印制電路板(PCB)的設計或布線非常敏感。該體系結構的低復雜度也降低了設計風險和最終的功耗，從而延長了手機的待機時間。

器件選擇

如果手機設計工程師結合AD6548收發器和TriQuint公司的TQM6M4001發射模塊以及SAW濾波器模塊，則會很快達到1．5cm²GSM／GPRS高性能射頻設計的設計目標。

收發器IC

AD6548(Othello-G收發器)是美國模擬器件公司(簡稱ADl)直接變頻GSM收發器的最新產品，它采用5millx 5mm 32引腳LFCSP封裝。該芯片采用Othello技術構建，這種技術是1999年首次用于開放市場直接變頻的GSM射頻收發器。它將擁有專利權的電路設計、體系結構和系統知識結合起來解決了自動檢測、直流(DC)失調和壓控振蕩器(VCO)相位噪聲等老的難題。因此GSM射頻收發器大大減少了芯片數量并且降低了成本，而且無需IFSAW濾波器、VCO以及相關元件。AD65480thello-G收發器為GSM／GPRS射頻收發器設計的集成度和總體解決方案的尺寸建立了新的標準。Othello—G收發器是真正的四頻帶設計，具有用于850MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz頻帶的獨立可編程增益低噪聲放大器(LNA)。用于發射頻帶和接收頻帶的本地振蕩(LO)發生器帶有內置的快速鎖定小數N分頻鎖相環(PLL)頻率合成器和集成的環路濾波器發射和接受壓控振蕩器(VCO)和儲能電路組成。AD6548也包含一個內置晶體振蕩器和校準系統，從而無需使用傳統的外部壓控式溫度補償晶體振蕩器(VCTCXO)并且降低了成本。這種變換環路發射器體系結構無需在收發器和功放之間使用外部濾波。

AD6548在電源管理方面具有極具吸引力的特性，其將用于收發器的低壓差(LDO)穩壓器完全集成到芯片內。這意味著芯片可以直接與電池電源相連，而無需附加的外部元件和復雜連接。LDO和芯片的電源控制全部由共用串行接口總線完成，從而無需附加的外部芯片并且確保射頻和LDO時序命令要求之間的同步，以便在過渡期間對功耗進行嚴格控制。

開關與功率放大器

先進的處理能力、封裝形式和設計技術使高集成度模塊切實可行，從而減小電路尺寸并且提高性能。Triquint公司的TQM6M4001發射模塊采用市場上最小的封裝尺寸-6×6×1．1mm—集成了收發器和天線之間的所有RF發射功能，它與具有競爭力的解決方案相比大大減小了電路尺寸。TQM6M4001發射模塊體系結構和接口適合于AD6548之類的收發器，并且確保在手機PCB板上實現最佳布線。

TQM6M4001模塊采用了分立的GSM850／900和DCSl800／PCSl900功放模塊以及當代功率放大器模塊中的集成功率控制。此外，它還具有低插入損耗四頻帶pHEMT開關、發射端諧波濾波、集成開關解碼器、四個接收端口以及實現完整RF發射所必需的全部防靜電放電(ESD)功能。TQM6M4001發射模塊無需進行外部功放匹配。

TriQuint公司采用了6英寸封裝的GaAs處理器設計其電路，包括分別用于PA、低通濾波器(LPF)和開關的InGaPGaAsHBT和GaAspHEMT。其中PA和開關的所有控制功能都集成在其CMOS專利設計中。該發射模塊是基板結構，所有的管芯通過引線鍵合相連。TriQuint公司通過使用集成技術業界率先減小了電路尺寸以避免在模塊中使用所有的匹配和偏置表面粘元件(SMD)。TQM6M4001發射(Tx)模塊的主要設計目標是進一步提高GSM／GPRS％作在所有四個頻帶時完整發射鏈路的DC和RF性能，并且比單獨的PA和天線開關模塊陣列增強了性能。

SAW濾波器和匹配模塊

正如前面所描述的，前端電路設計對于接收器性能極其重要。通常這需要很多器件。在每一個頻帶都需要一個SAW濾波器和四個LNA匹配器件，因此四頻帶設計需要16個器件，從而占用了相當大的PCB面積。由于前端電路對SAW濾波器和LNA輸入電路很敏感，通常需要經驗豐富的RF工程師調整匹配模塊以獲得滿意的性能，這卻是一件非常耗時的工作。

當今已經出現了另一種可行的方法以提供優良的解決方案。由日本富士通公司、日本村田公司、美國SAWTEK和廈門EPCOS有限公司等全球領先供應商提供的模塊工藝允許將SAW濾波器和匹配電路完全集成在5mmx3mm的封裝尺寸內。這種方案除了減小PCB面積并且縮短設計時間外，還通過縮短芯片間距離以減小PCB印制線上的寄生效應，從而提高性能。供應商通過插入替換封裝的芯片可以提供雙、三和四頻帶解決方案，從而為各種類型手機設計提供低成本高性能解決方案。

為了優化LNA匹配，收發器供應商將為模塊生產廠商提供LNA輸入的精確s—參數，包括鍵合線和封裝寄生效應。使定制的器件以與具體的IC嚴格匹配。微調、測試和驗證由兩家供應商共同完成，并且完成參考設計中評估的解決方案。這種方案對于手機生產廠商具有明顯的優勢，因為甚至在手機設計之前都完成了設計任務，因此縮短了產品的面世時間并且減小了封裝尺寸。

系統級驗證

RF系統設計和實現一旦完成，下一個重要的步驟是完成全面驗證。首先對基本RF參數做驗證，例如噪聲指數，IP2和IP3等，但是這種驗證純粹是為了確保要求的設計參數得到滿足。主要測試參數應該集中在GSM規范中的系統驗證等級。這只能通過測試使用基帶芯片組和GSM軟件協議棧的完整參考設計來實現。必須對通話成功地提供一臺測試儀器以完成所要求的回送誤碼率(BER)測試。

RohdeSchwarzCMU200射頻收發通信測試儀器或類似儀器可用來進行基本的測試，因為它們能夠依照GSM規范快速精確地測量參數。使用一臺測試設備的局限性在于無法完成雜散發射、接收器阻塞、AM波抑制、交互失真以及相鄰通道測試。如果一款手機在產品定型驗證階段沒有滿足這些測試要求，則會導致成本和時間的浪費。因此我們需要一個比較高級的測試設備，如圖4所示。

為了確保快速、可重復并且精確測試表性參數對溫度和電壓的變化，需要一臺自動化實驗室測試設備是最基本要求。該設備由開關箱和濾波器組控制的GPIB總線、個人計算機(PC)和控制儀器儀表的軟件控制程序以及將數據處理成容易檢查格式的數據格式存儲器組成。這對于信道總數達975的四頻帶GSM手機設計是必需的。每一個信道都需要做大量的測試，每一次測試都需要大量的數據點來完成測試。這樣產生了大量的數據點，因此后處理和格式化也是非常重要的，以便快速處理測試結果并且得出結論。

在測試過程中干擾信號遠遠大于有用信號(例如阻塞信號或鄰道干擾)，測試設備的相位噪聲可能會影響測試結果。既然這樣，在開關盒中需要增加濾波功能。我們也為測試設備增加一個衰落模擬器以完全符合GSM要求。

測試結果

下面的測試結果是在ADI公司的AD6548硬件平臺上使用前面描述的自動測試設備測出的。這樣能夠全面、快速地評估和優化參考設計，以加速客戶的設計周期。對于GSM最高頻段PCSl900的主要測試曲線總結如下。

以上曲線表明測試結果超過GSM規范具有充分的裕量。這為手機制造商提高了產量同時為客戶改進了性能。例如，靈敏度比GSM規范－102dBm具有高出7．1dB的裕量，但這是靜態靈敏度測量。一旦包括了衰落條件，雖然取決于基帶，通常還需要超過SNR3dB。本RF設計仍可超過性能裕量4dB。阻塞測試結果還表明具有超過GSM規范2％優良的BER裕量，甚至使用了超過GSM規范要求2dB的阻塞測試儀。

在發射器端，調制頻譜表明了極好的測試結果。例如在400kHz頻率偏移時具有大于5dB的裕量，隨著頻譜向外擴展會產生更大的裕量。RMS值和峰值相位誤差也具有足夠的裕量，分別超過規范5°和20°。

結語

設計出在RF性能、價位和面向市場時間方面滿足蜂窩手機市場嚴格要求的1．5cm2GSM四頻帶收發器是可能的。這種外形尺寸對于手機制造是非常重要的，以便他們無需增加尺寸即可為手機增加先進的功能和工作模式。根據選擇的先進芯片，限制RF信號鏈只能選擇三片芯關鍵片。然而，采用這種高集成度芯片的手機制造商必須依靠芯片供應商完成一項總體工作，即不僅需要子模塊驗證而且還有對系統驗證。最好選擇經過認證的芯片供應商，例如ADI公司和Triquint公司，它們不僅能夠提供領先的技術和具有競爭力的價位，而且還能為手機制造商提供手機設計和制造的各個階段的全面技術支持。