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2008年第1期
RF系统设计的选择和解决方案

Selection of RF System Design and its Solutions

ADI公司



本文主要讨论RF系统的设计问题,着重介绍了在接收和发射路径上如何构建射频和中频系统。


RF系统架构

RF系统设计已经在各个领域有了广泛的应用,如医疗、航空航天、仪器仪表、测试仪器以及无线通信系统等。各个系统都需要精确的信号处理,设计者需要选择最佳的通信结构,无论是超外差架构还是临中频架构,都必须考虑:支持单载波还是多载波;采用哪种调制和编码方式;如何划分模拟与数字功能;以及其它问题。就系统功能模块而言,大多数RF系统是由以下模块组成:与天线相连接的功率放大器、低噪声放大器或低噪声增益模块、用于放大和缓冲信号并驱动滤波器的可变增益放大器、进行频率变换的混频器、载波信号调制器和解调器、用于探测信号并测量其强度的对数检波器或有效值检波器、以及振荡器。

RF系统和中频系统中有许多可供 选择的发射器和接收器架构,每个架构有其各自的优缺点,而其RF和IF组件功能却具有极大的共通性。如图1所示,左边为三类接收器架构,右边为发射器架构。其中,左上图的超外差架构的显著优势在于,可在固定中频下获得增益和接收选择性。这与在一个较宽频带上进行调谐相比,更加简单、经济。而中间与左下图所示的架构则利用了高 速ADC的优势,实现直接变频。

图1 不同的发射器和接收器架构(略)

设计接收器需要考虑众多问题,包括:在大信号中检测、选择并放大一个微弱信号,经滤波和放大后,下变频至一个更易于处理的中频信号,而后通过解调器解调得到期望信号,最后通过ADC将其转换成数字信号,供DSP处理。在多数无线通信系统中,使用一个器件驱动多个负载时,当器件接近工作区域边缘,即器件开始在非线性区域工作时,失真将逐渐增大,因此在选择器件如混频器和解调器时,应考察器件的驱动能力。此外,在整个信号链中,每增加一个器件都会使噪声增加,并恶化寄生参数的影响。


器件选择

基于数字锁相环的本地振荡器

选择基于数字锁相环的本地振荡器,应遵循以下原则:首先,振荡器要支持所需频率;其次,应具有较高的时间、温度稳定性;此外,需考察其相位噪声指标,该指标主要影响系统的选择性和灵敏度,同时也将大大影响系统的整体噪声和失真性能。

接收器的调谐灵活性在很大程度上取决于是选用基于整数分频的锁相环还是基于分数分频的锁相环,后者的调谐速度非常快,而且允许在频率空间内进行更多选择。设计时可以借助ADI提供的ADIsimPLL工具进行选择。

RF/IF放大器

A DI提供了固定增益放大器和可变增益放大器,其频率覆盖范围高达3GHz,具有超高增益和优越的IP3(三阶交调节点)性能。如,ADL5330提供了3GHz的频率范围,具有60dB的可变增益,可分成40dB衰减和20dB增益。而ADL5323是一款基于砷化钾工艺的功放预驱动产品,适用于多载波基站应用。

混频器

混频器既可作为上变频器,也可作为下变频器。由于混频器固有的非线性特性,因此选择器件时要着重考察其线性度指标。应注意IP3和1dB压缩点,以降低信号失真。相比无源混频器,有源混频器可提供混频增益,最新的砷化钾器件具有与无源混频器相近的噪声系数。

解调器

解调器的功能是将高频已调信号与本地振荡器信号进行混频,以恢复基带信号。解调器本身也是非线性器件,具有混频功能,对系统的性能有较大影响,因此需要关注其三阶节点和幅度平衡度。ADI公司在芯片上集成了自动增益控制或VGA以简化解调器的应用,并使本地振荡器易于驱动。AD8347正交解调器,其工作频率高达2.7GHz,除具有高线性度解调功能外,还集成了基带检波器,并在RF输入端提供一个65dB的ADC自动增益放大器。这样既可减少元件数量,降低系统寄生效应,又有助于合理分配增益,降低接收机的噪声系数。

检波器

检波器广泛应用于无线通信系统,在接收器中检波器通常用于接收信号强度指示,以正确的设置增益级。在选择检波器时需了解信号的峰均比,对于高峰均比信号,如CDMA和OFDM信号,如果检波器选择不当,将给出错误的功率信息,此时应选择真有效值功率检波器。

检波器应当具有很宽的动态范围、良好的一致性以及精确度。检测脉冲信号时,响应时间非常重要。ADI提供的检波器最高频率可达10GHz,提供的检波器产品共有两类,一类是以分贝成线性的,一类是以电压成线性的。ADI提供具有最大动态范围的各类检波器。

RF开关

ADI提供了RF/IF CMOS开关,如ADG936、ADG936-2,是低功耗、高频应用中极佳的解决方案。具有低插入损耗、高隔离度、低失真和低功耗等特性,可用于雷达、基站等通信系统中的可开关滤波器、发射机和接收机。简单的控制接口、无需隔直电容等特点使其在高频开关和低功耗应用中具有极大的成本优势,且易于与开关集成。

R F开关可以是吸收型或反射型,ADG936是一款吸收型开关,相当于50?终端并联阻抗,而ADG936-2是一款反射型开关,相当于0?并联接地。吸收型开关可提供良好的VSWR,可保证最大功率传输;反射型开关适于不要求关断端口驻波比的应用。通常,吸收型开关可以代替反射型开关,反之则不然。


通用2.4GHz收发器设计

图2是通用2.4GHz收发器的设计实例。该收发器的频率范围2.405GHz?2.480GHz;数据速率1MSPS;采用Pi/4 QPSK调制方式;信道间隔5MHz;采用半双工通信方式。

图2 通用2.4GHz收发器设计(略)

RF滤波器用作预选频,衰减频带外的所有信号,通常选用低损耗陶瓷或SAWF器件。整机的噪声系数和噪声水平均由LNA决定,因此要尽量使LNA具有高增益,并满足接收机的线性要求。此外还要考虑1dB压缩点及其线性度。

镜 像滤波器的主要功能是滤掉镜像频率处的信号和噪声,如果不能有效滤除,信号和噪声将直接混频至IF带宽内,降低接收机性能。在选择接收混频器时需要考虑变频损耗、变频增益、噪声系数、线性度,以及本地振荡器和RF的隔离度等 参数。

IF滤波器在接收机中提供最后的选频功能,IF放大器则用于将中频信号放大以便解调,选择这类器件需要考虑增益和线性指标。解调器是接收机IF信号链的最后一级,功能是从IF信号中提取最初的I/Q信息。相位、幅度平衡度、噪声系数和增益是选择解调器的重要因素。

发射机架构与接收机类似,只是信号的传递方向相反。VGA通常用于发射链路,选用VGA时必须保证放大器能提供所需的动态范围或增益范围。同时,要保证VGA对发射链路的线性度不产生负面影响。

控制功率在无线通信架构中非常重要,图3给出了两种功率控制方案,图中横线下图是一种低处理器密度的实现方式,它的检波器同时起到控制器作用,该方法中放大器可通过设置电压点来控制增益,它提供了比图中横线上图数字控制方式更快更好的系统。

图3 功率控制方案(略)


线性化问题

线性度是现代通信系统需要考量的重要因素,图4说明了非线性对QPSK调制方式的影响。

图4 Pi/4 QPSK调制方式的非线性影响(略)

PA线性化是近几年无线电研究中的热门领域,传统方法是降低PA的输出功率,使放大器在线性区域工作,但该方法降低了PA的增益。当前方法中,前馈技术是一种有效途径,通过它可获得25dB或更大的性能提高(如图5所示)。前馈线性化通常采用双环技术实现:一环用于去除需要信号,留下失真信号;一环则将该失真信号进行相位和幅度调整,并与原始信号相加,从而获得无失真的输出信号。其中,相位和幅度的调整是通过矢量乘法器实现的。

图5 前馈技术线性化(略)


ADI高集成度射频解决方案

A DI公司提供了一款Othello-G射频信号处理芯片,该芯片集成了直接变频接收器与环路发射器,免除了发射信号通路所需的外部滤波。芯片还集成了手机射频设计所需的几乎全部组件,包括本地振荡器、快速锁定式分数分频锁相环、搭载环路滤波器的谐振电路及电源管理电路等。集成化的优点令产品符合GSM规范,成本低廉且易于实现,特别适用于设计完善的大规模市场。


问答选编

更多详细内容,敬请登陆中电网在线座谈网址:

http://seminar.chinaecnet.com/061213/jchf_adi.asp

问:在使用ADC连接检测器时,系统对ADC的延迟时 间 有要求吗?如流水线ADC,其延时会影响反馈 环路吗?

答 :流 水线ADC的延时、处理器的延时和其它器件的 延 时都会影响控制环路的响 应时间。选择SAR ADC 和 快速处理器可以加快控 制环路 的响应时间。
但 是 ,首先要明白系统对响应时间的要求,然后 才 能 选 择相应的器件。 如果要连接LOG-AMP, 可 以使 用 A DuC702X ARM内 核CPU,如ADuC7020、 ADuC7024/5/6/7。

问:对接收机而言,接收灵敏度指的是信道内的功率谱 密 度还是信道内的总功率?

答:接收灵敏度是指接收机能在标准要求的误码率范 围内正确解调的最小信号功率。

问:设计RF电路时,电源有何需特别注意的地方吗?

答:主 要考虑效率、对负载的动态响应以及噪声等方面。 对于射频部分,对负载的动态响应比较重要。

问:ADI在现有的RF芯片中是否有采用数字中频架构 的RF收发器芯片?

答:数 字中频方案的RF部分仍采用分立元件,数 字中 频芯片有AD6654/2。

问:如 果调制器缺少预失真处理,在RF部分有补偿方 式吗?

答:调制器的失真请用功率回退解决,只要减小调制器 的 输出功率,就不会有失真。功率的放大则可以通 过 后 级放大器实现。

问:怎样才能更好地保证LO的I/Q双通道匹配?

答:一般来说,只需要1个用于I/Q调制器或解调器的 LO。调制器/解 调器有助于实现双通道匹配。

问:如何最小化混频器在频率变换时带来的额外的相 位或幅值误差?

答:确保输入信号没有超过混频器的线性范围,同时, 对 外部的 滤波电路进行优化,滤除本地振荡 器和另 一个边带产物。

问:如果信号的波峰因数较大,在选择ADC时,需留出 多少的SNR余量?

答:波峰因数与ADC SNR无关。对于高波峰因数代码, 请 选择RMS-DC检测 器,如AD8364/2/1和ADL5501。 对 ADC而言,SNR与 AD C的ENOB有关,因此,如 果 可以保证满足系统精度的要求,就能保证ADC SNR。一般来说,12至14位SAR ADC就足够了。

问:设计基带DAC与直接上变频调制器之间的接口电 路应注意什么?怎样减小发射机的EVM?

答:要 确保I/Q的共模信号一致(有利于载波泄漏)和 I /Q的幅度一致 。减小EVM 的 措施包括: 保证I/Q 的 幅度和 相位平衡度;利用 合 适的脉冲成型滤波器; 半 带滤波器;CIC滤波器;及 低相噪的本地振荡器。

问:在TD RF电路设计中,检波芯片AD8314和AD8319 各有什么优点?

答:AD8314是早期产品,具有45dB的动态范围;AD8319 是 很新的检波器,除了动态范围略小以外,它可检 测的频率范围大大扩大,响应时间大大缩短。

问:怎样确定发送通路系统所需镜频抑制比(IRR)的大 小?

答:IRR取决于I/Q通道的幅度平衡度。

问:在接收系统中,如何处理由于本地振荡泄漏所引起 的 直流漂移? 本地振荡器的泄漏选择有什么规则?

答:一般选用直流偏置较小的解调器。ADI的AD8348 等 解调器内部集成补偿直流偏置的硬件电路。也 可 以考虑中频采样方案或超外差方案,后两种 方案没 有上述问题。

问:PLL与VCO在产生RF信号源时有何优缺点?

答:PLL能产生数GHz频率,小数倍频与先进的结构可 以 获得很好的频率分辨率。PLL的参考频率通常很 低 ,这使其成本与复杂度都相对较低。VCO是锁相 环 系统中的关键组件,通常价格昂贵,其整数倍频 结构分辨率有限,使系统频率的规划难度较大。

问:超外差接收机中第一混频器后的滤波器主要起哪 些作用?为了降低对IP3的影响,应该如何选择?

答:该 滤波器的作用是滤出有用信号,抑制无 用信号, 不 能省掉。 选择标准 是考量通 带带宽、阻带抑制比 及通带插损。

 
 
 
 
 
《世界电子元器件》2007.2
         
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