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TD-SCDMA/GSM双模全集成射频收发器芯片

TD-SCDMA/GSM Double-mode Total Integrated RF Transceiver Chip

锐迪科微电子 杨胜君



锐迪科微电子(上海)有限公司成立于2004年3月,致力于成为国内领先并具有国际竞争力的芯片设计企业。基于在模拟和数字模拟混合集成电路设计领域的技术实力,锐迪科微电子在无线通信和消费电子等多种领域开发设计了针对多种系统应用的集成电路产品。

随着移动通信技术的发展,3G时代即将到来,TD-SCDMA作为中国自主的通信标准备受关注,从市场方面而言,中国现有4亿手机用户,每年还以2位数的速度增长,其中TD-SCDMA预计可占中国3G用户的40%以上,到2010年TD用户可达8500万户。面对中国如此庞大的移动终端消费市场,TD终端射频芯片具有巨大的市场需求,2007~2010年市场规模将超过25亿。但是在目前GSM第二代移动通信终端市场中,射频芯片为极少数的国外公司垄断,而在TD-SCDMA终端,射频终端芯片也一直作为产业链的“短板”和“瓶颈”,是中国自主3G(TD-SCDMA)产业发展急需攻克的难题。

锐迪科微电子(RDA Microelectronics)为中国自主TD-SCDMA标准研发出第三代移动通信(3G)TD-SCDMA射频芯片。此款芯片经过1年的开发,解决了各项关键技术问题、已经完成芯片的设计、流片及基带厂商严格的技术测试。该方案基于0.18 m CMOS射频工艺技术,是TD-SCDMA/GSM双模射频套片,在提高集成度和降低成本方面取得突破,降低了终端手机的设计难度,并为今后实现基带芯片和射频芯片完全集成预留了发展空间。


芯片基本特性

RDA的TD-SCDMA/GSM双模射频收发器芯片超越了单模TD射频芯片的技术层次,能够同时支持TD-SCDMA3G标准(3GPP)定义的两个工作频段(1880 ~?1920MHz和2010~2025MHz)和GSM标准定义的四个工作频段(GSM 850MHz、EGSM 900 MHz、DCS1800MHz和PCS1900MHz),可根据手机用户所处地点信号强弱和有无自行在GSM网和TD网进行切换,保证手机用户在仅有TD网或仅有GSM网的地方都能顺畅的通话,这对于TD-SCDMA手机的商用是至关重要的条件,尤其是在3G网络覆盖率较低的建设初期。
在架构上,该芯片的TD-SCDMA接收机采用数字零中频架构,发射机采用的是直接上变频的架构;GSM接收机采用数字近零中频架构,而发射机采用频率综合器直接调制架构,片上全集成了低噪音放大器(LNA),射频可变增益放大器(RFVGA),上、下变频混频器(Mixer),模拟滤波器(Ffilter),模数/数模转换器(A/D、D/A),频率综合器(Frequency Synthesizer)和数字信号处理器(DSP)。只需要少量外围元件,就能构成完整的射频子系统同时比其他任何整体方案BOM都少20%以上,并且可以支持目前市场上的所有基带芯片方案。

该款芯片内还集成了数字补偿晶体振荡器(DCXO),只需要外接一个普通晶体就可以产生精确的片上参考时钟,与传统方案选择更为昂贵的TCXO(温补晶振)相比,降低了成本,另外还使得整个系统对温度变化带来的频率漂移更加不敏感,进而满足发射接收频偏<0.1ppm这样苛刻的GSM标准要求。

在指标的表现方面,作为一款全集成的TD-SCDMA/GSM双模射频收发器芯片有着优异的射频性能,其TD-SCDMA频段接收链噪声系数小于4dB,发射链误差矢量幅度(EVM)小于3%,远远好于3GPP标准要求;同时其GSM频段接收灵敏度达 108dBm,远超过GSM标准规定的-102dBm;其发射频谱400kHz的ACPR达到-70dBc。

该芯片的另一性能表现在其采用的频率综合器结构设计先进,它表现出了优异的相位噪声性能和快速锁相特性(小于20 s)。整个芯片在不同模式和不同频段之间都可以在非常短时间内完成无缝切换,接收链和发射链也能够在非常短时间内完全打开和建立。



工作原理

TD-SCDMA模式

TD-SCDMA的接收机采用先进的数字零中频架构。芯片在内部还特别设计了功能强大的专用数字处理器(DSP),从A/D输出的数字信号通过DSP后被有效地进行滤波,同时,为了消除整条接收链的直流失调(DC offset),在DSP中还设计了一个带宽可调的数字高通滤波器用来滤除信号中的直流失调分量。其原理框图如图1所示。

图1 RDA双核射频收发器芯片原理框图(略)

为了能确保整个接收链为了能够接收不同强度的射频信号,锐迪科在模拟部分的LNA、Mixer和Filter和数字部分的DSP中实现了高增益的动态范围,可以达到100dB。另外,整个接收链的滤波器带宽选择在800kHz以内,以满足TD-SCDMA信号带宽的要求。
TD-SCDMA的发射机采用直接上变频架构(Direct-Upconversion)。在这一模式下,基带信号先经过一个带宽大于800kHz的低通滤波器滤波后送给上变频混频器(Up-conversion Mixer),信号被调制成射频信号,然后再经过一个射频增益放大器(RF VGA)对信号进行放大后再去驱动片外的功率放大器(PA)。

相似地,在采用模拟基带接口模式时,基带信号送给片上低通滤波器。而当采用数字基带接口模式时,片上的数模转换器会先将基带数字信号转换成模拟,然后再送给片上低通滤波器。

整个发射链能够提供超过80dB范围的增益动态范围,从而能够有效地将基带信号发射出去。

GSM模式

GSM的接收机采用业界流行的数字近零中频架构。先进的架构保证了从天线接收的射频信号很好地完成了下变频、模拟信号转换、直流偏移消除、频率选择滤波、数字信号放大等功能。

相似的,在采用模拟基带接口模式时,DSP输出的数字信号经过一个高性能的数模转换器(D/A)后送给基带芯片。当采用数字基带接口模式时,经过DSP处理的数字信号调制到一定的采样频率后直接送给数字基带芯片进一步处理。

整个GSM接收链路增益灵活可调,最大可以提供超过100dB的增益范围,在基带芯片的AGC策略下,可以在保证足够信躁比(SNR)的同时,接收从 102dBm到 15dBm不同强度的射频输入信号。

GSM发射机采用频率综合器直接调制架构。当芯片工作在GSM发射模式时,需要将基带芯片送来的模拟基带信号,变成射频信号,驱动射频前端功率放大器(PA)发射出去。
在模拟基带接口模式时,芯片输入的模拟基带信号,首先被片上的A/D采样量化,然后把判决出其中携带的相位调制信息行微分处理,接着通过Sigma-Delta频率综合器,把调制信息叠加到当前的载波频率值上。频率综合器输出的射频调制信号通过功率放大器驱动模块,可以直接驱动50 的功率放大器。在数字基带接口模式时,芯片输入的数字基带信号在DSP部分直接进行相位调制操作,通过与上述一样的方法直接经过频率综合器调制后送给外片功率放大器。

整个芯片由一个频率综合器提供本振和产生载波射频信号,除了850MHz和900MHz这两个GSM频段模式下频率综合器输出4倍频的本振信号,其他模式下频率综合器都输出2倍频的本振信号。


应用方案

如上所述,RDA TD-SCDMA/GSM双模射频收发器芯片可以支持目前市场上所有商用化基带芯片,实现TD-SCDMA的终端整体解决方案;同时,RDA?TD-SCDMA/GSM也支持市场上多数主流GSM基带芯片,实现GSM的终端整体解决方案,设计出体积小巧、性能优异、成本低廉的手机用户终端。

图2所示为RDA?TD-SCDMA/GSM芯片的应用原理图,由于芯片具有很高的集成度,整个终端解决方案的射频部分,只包括射频天线、射频功率放大器、功放开关模块、射频声表面波滤波器(SAW)、DCXO晶体和少量的分离元件,不仅大大降低了元件成本,而且减少了射频印刷电路版(PCB)的设计难度。

图2 RDA TD-SCDMA/GSM双核单芯片应用原理图(略)

锐迪科还同时提供与之匹配的功率放大器,图中的RDA8212是就是由锐迪科提供的一款功率放大器,具有高效率线性,支持TD-SCDMA两个标准发射频段,该功率放大器支持高低功率两种模式,效率更加优化。图中的RDA6212也是由锐迪科提供的一款四频段非线性放大器,适用于GSM标准的四个发射频段,具有非常高的效率。同时,RDA还可以不同的应用标准提供单刀双掷到单刀九掷等天线开关模块。

RDA TD-SCDMA/GSM双模射频收发器芯片,可以同时支持带模拟基带功能的基带芯片,也可以支持纯数字的基带芯片(DBB)。此款芯片支持3线或4线串行数据接口(SPI)模式,所有的控制信号都可以通过SPI写入或读取,包括自动功率控制(APC)、自动增益控制(AGC)和自动频率控制(AFC)都可以通过SPI写入的方式来完成。另外,芯片内部还集成了高精度辅助模/数转换器,可以方便地通过SPI读取所需要的环境变量(如温度)。
由于芯片内部集成了一个DCXO,因此只需外接一个普通晶体。该芯片同样可以支持TCXO模式,在这种模式下,芯片内部将会提供一个自动频率控制电压(AFC)给TCXO,用于产生精确的参考频率。

综上所述可以看出,RDA?TD-SCDMA/GSM双模芯片是一款应用灵活的、不同基带用户接口友好型的芯片,而且还为终端厂商提供完整的高性价比的射频解决方案。

《世界电子元器件》2007.2
         
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