現(xiàn)代蜂窩手機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)收發(fā)器部分的要求比較嚴(yán)格，雖然手機(jī)的射頻收發(fā)部分通過復(fù)雜的軟件與用戶界面完全分開，但是為了使手機(jī)滿意工作收發(fā)器部分是絕對(duì)重要的。美國(guó)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?qū)崿F(xiàn)1．5cm²外形尺寸先進(jìn)的GSM／GPRS收發(fā)器。這樣可構(gòu)成僅由三片關(guān)鍵芯片組成的信號(hào)鏈路。

·完全集成收發(fā)器半導(dǎo)體集成電路(IC)

·集成收發(fā)(T／R)開關(guān)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(shè)計(jì)工程師優(yōu)化性能的靈活性。目前由芯片供應(yīng)商提供的系統(tǒng)級(jí)確認(rèn)也是極其重要的，以確保能夠產(chǎn)品的性能和滿足面世時(shí)間的要求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)開發(fā)的稱為3GPPTS45．005的GSM技術(shù)規(guī)范規(guī)定了最低射頻(RF)性能。在早期收發(fā)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須先將GSM技術(shù)規(guī)范正確地轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)參數(shù)，然后對(duì)系統(tǒng)各部分起作用的每個(gè)單元分配預(yù)算。如果某個(gè)單元是單獨(dú)的器件，那么各器件供應(yīng)商之間的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)相互兼容以滿足總體性能目標(biāo)的要求。在完全集成壓控振蕩器(VCO)、儲(chǔ)能電路和濾波器的收發(fā)器設(shè)計(jì)中，滿足系統(tǒng)級(jí)技術(shù)指標(biāo)的責(zé)任在于芯片供應(yīng)商。因此用合適的系統(tǒng)分析工具驗(yàn)證系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)非常重要。下表說明了對(duì)GSM收發(fā)器技術(shù)規(guī)范起主要作用的各單元電路的技術(shù)參數(shù)。

在利用共享RF頻譜資源時(shí)，其發(fā)射器部分應(yīng)根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)受GSM技術(shù)指標(biāo)的嚴(yán)格控制。這可以確保有效地管理網(wǎng)絡(luò)并且避免受手機(jī)用戶頻譜之間的影響而降低質(zhì)量。最后必須使用頻譜屏蔽技術(shù)，這對(duì)于避免發(fā)射機(jī)在接受頻帶內(nèi)產(chǎn)生阻塞其它用戶信道的無用雜散輸出或噪聲是必需的。轉(zhuǎn)換環(huán)路體系結(jié)構(gòu)為發(fā)射部分提供一種高集成度解決方案，并且正確設(shè)計(jì)使得在發(fā)射部分無需外部濾波器。對(duì)于雙頻帶或四頻帶GSM設(shè)計(jì)其受益會(huì)更大。

從表1可看出，發(fā)射機(jī)的性能取決于收發(fā)器和功放的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)代收發(fā)器的接收機(jī)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(jī)前端的開關(guān)和頻帶選擇SAW濾波器。濾波器用來在有很強(qiáng)的帶外阻塞信號(hào)情況下確保高性能。但是仍然存在個(gè)別難題，例如RF頻譜不受網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商控制，因此其易受來自其它通信系統(tǒng)的大功率信號(hào)和其它電子設(shè)備(例如，微波爐和汽車點(diǎn)燃系統(tǒng)等)引起的干擾的影響。

如果為接收機(jī)選擇直接變頻體系結(jié)構(gòu)，我們就會(huì)獲得幾項(xiàng)重要的益處，從而允許使用完全集成設(shè)計(jì)來滿足GSM規(guī)范。

·降低接收機(jī)信號(hào)鏈路的復(fù)雜程度

·需要單獨(dú)的本機(jī)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(nèi)置濾波功能

這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是為客戶帶來了高性能價(jià)格比的集成解決方案的好處。由于單獨(dú)的LO最大程度減小了晶振串?dāng)_和耦合(晶振串?dāng)_和耦合會(huì)降低選擇信道的靈敏度，產(chǎn)生有害的雜散響應(yīng)或是造成手機(jī)在產(chǎn)品定型或網(wǎng)絡(luò)互通性測(cè)試階段失效的雜散發(fā)射)，所以其具有高集成度解決方案的優(yōu)點(diǎn)。這些問題難以預(yù)測(cè)并且對(duì)外部印制電路板(PCB)的設(shè)計(jì)或布線非常敏感。該體系結(jié)構(gòu)的低復(fù)雜度也降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和最終的功耗，從而延長(zhǎng)了手機(jī)的待機(jī)時(shí)間。

器件選擇

如果手機(jī)設(shè)計(jì)工程師結(jié)合AD6548收發(fā)器和TriQuint公司的TQM6M4001發(fā)射模塊以及SAW濾波器模塊，則會(huì)很快達(dá)到1．5cm²GSM／GPRS高性能射頻設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

收發(fā)器IC

AD6548(Othello-G收發(fā)器)是美國(guó)模擬器件公司(簡(jiǎn)稱ADl)直接變頻GSM收發(fā)器的最新產(chǎn)品，它采用5millx 5mm 32引腳LFCSP封裝。該芯片采用Othello技術(shù)構(gòu)建，這種技術(shù)是1999年首次用于開放市場(chǎng)直接變頻的GSM射頻收發(fā)器。它將擁有專利權(quán)的電路設(shè)計(jì)、體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)知識(shí)結(jié)合起來解決了自動(dòng)檢測(cè)、直流(DC)失調(diào)和壓控振蕩器(VCO)相位噪聲等老的難題。因此GSM射頻收發(fā)器大大減少了芯片數(shù)量并且降低了成本，而且無需IFSAW濾波器、VCO以及相關(guān)元件。AD65480thello-G收發(fā)器為GSM／GPRS射頻收發(fā)器設(shè)計(jì)的集成度和總體解決方案的尺寸建立了新的標(biāo)準(zhǔn)。Othello—G收發(fā)器是真正的四頻帶設(shè)計(jì)，具有用于850MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz頻帶的獨(dú)立可編程增益低噪聲放大器(LNA)。用于發(fā)射頻帶和接收頻帶的本地振蕩(LO)發(fā)生器帶有內(nèi)置的快速鎖定小數(shù)N分頻鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器和集成的環(huán)路濾波器發(fā)射和接受壓控振蕩器(VCO)和儲(chǔ)能電路組成。AD6548也包含一個(gè)內(nèi)置晶體振蕩器和校準(zhǔn)系統(tǒng)，從而無需使用傳統(tǒng)的外部壓控式溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(VCTCXO)并且降低了成本。這種變換環(huán)路發(fā)射器體系結(jié)構(gòu)無需在收發(fā)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(fā)器的低壓差(LDO)穩(wěn)壓器完全集成到芯片內(nèi)。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(fù)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(shí)序命令要求之間的同步，以便在過渡期間對(duì)功耗進(jìn)行嚴(yán)格控制。

開關(guān)與功率放大器

先進(jìn)的處理能力、封裝形式和設(shè)計(jì)技術(shù)使高集成度模塊切實(shí)可行，從而減小電路尺寸并且提高性能。Triquint公司的TQM6M4001發(fā)射模塊采用市場(chǎng)上最小的封裝尺寸-6×6×1．1mm—集成了收發(fā)器和天線之間的所有RF發(fā)射功能，它與具有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案相比大大減小了電路尺寸。TQM6M4001發(fā)射模塊體系結(jié)構(gòu)和接口適合于AD6548之類的收發(fā)器，并且確保在手機(jī)PCB板上實(shí)現(xiàn)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(dāng)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(guān)、發(fā)射端諧波濾波、集成開關(guān)解碼器、四個(gè)接收端口以及實(shí)現(xiàn)完整RF發(fā)射所必需的全部防靜電放電(ESD)功能。TQM6M4001發(fā)射模塊無需進(jìn)行外部功放匹配。

TriQuint公司采用了6英寸封裝的GaAs處理器設(shè)計(jì)其電路，包括分別用于PA、低通濾波器(LPF)和開關(guān)的InGaPGaAsHBT和GaAspHEMT。其中PA和開關(guān)的所有控制功能都集成在其CMOS專利設(shè)計(jì)中。該發(fā)射模塊是基板結(jié)構(gòu)，所有的管芯通過引線鍵合相連。TriQuint公司通過使用集成技術(shù)業(yè)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(fā)射(Tx)模塊的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是進(jìn)一步提高GSM／GPRS％作在所有四個(gè)頻帶時(shí)完整發(fā)射鏈路的DC和RF性能，并且比單獨(dú)的PA和天線開關(guān)模塊陣列增強(qiáng)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(shè)計(jì)對(duì)于接收器性能極其重要。通常這需要很多器件。在每一個(gè)頻帶都需要一個(gè)SAW濾波器和四個(gè)LNA匹配器件，因此四頻帶設(shè)計(jì)需要16個(gè)器件，從而占用了相當(dāng)大的PCB面積。由于前端電路對(duì)SAW濾波器和LNA輸入電路很敏感，通常需要經(jīng)驗(yàn)豐富的RF工程師調(diào)整匹配模塊以獲得滿意的性能，這卻是一件非常耗時(shí)的工作。

當(dāng)今已經(jīng)出現(xiàn)了另一種可行的方法以提供優(yōu)良的解決方案。由日本富士通公司、日本村田公司、美國(guó)SAWTEK和廈門EPCOS有限公司等全球領(lǐng)先供應(yīng)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(nèi)。這種方案除了減小PCB面積并且縮短設(shè)計(jì)時(shí)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(yīng)，從而提高性能。供應(yīng)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(jī)設(shè)計(jì)提供低成本高性能解決方案。

為了優(yōu)化LNA匹配，收發(fā)器供應(yīng)商將為模塊生產(chǎn)廠商提供LNA輸入的精確s—參數(shù)，包括鍵合線和封裝寄生效應(yīng)。使定制的器件以與具體的IC嚴(yán)格匹配。微調(diào)、測(cè)試和驗(yàn)證由兩家供應(yīng)商共同完成，并且完成參考設(shè)計(jì)中評(píng)估的解決方案。這種方案對(duì)于手機(jī)生產(chǎn)廠商具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樯踔猎谑謾C(jī)設(shè)計(jì)之前都完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，因此縮短了產(chǎn)品的面世時(shí)間并且減小了封裝尺寸。

系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證

RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一旦完成，下一個(gè)重要的步驟是完成全面驗(yàn)證。首先對(duì)基本RF參數(shù)做驗(yàn)證，例如噪聲指數(shù)，IP2和IP3等，但是這種驗(yàn)證純粹是為了確保要求的設(shè)計(jì)參數(shù)得到滿足。主要測(cè)試參數(shù)應(yīng)該集中在GSM規(guī)范中的系統(tǒng)驗(yàn)證等級(jí)。這只能通過測(cè)試使用基帶芯片組和GSM軟件協(xié)議棧的完整參考設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。必須對(duì)通話成功地提供一臺(tái)測(cè)試儀器以完成所要求的回送誤碼率(BER)測(cè)試。

RohdeSchwarzCMU200射頻收發(fā)通信測(cè)試儀器或類似儀器可用來進(jìn)行基本的測(cè)試，因?yàn)樗鼈兡軌蛞勒誈SM規(guī)范快速精確地測(cè)量參數(shù)。使用一臺(tái)測(cè)試設(shè)備的局限性在于無法完成雜散發(fā)射、接收器阻塞、AM波抑制、交互失真以及相鄰?fù)ǖ罍y(cè)試。如果一款手機(jī)在產(chǎn)品定型驗(yàn)證階段沒有滿足這些測(cè)試要求，則會(huì)導(dǎo)致成本和時(shí)間的浪費(fèi)。因此我們需要一個(gè)比較高級(jí)的測(cè)試設(shè)備，如圖4所示。

為了確?？焖?、可重復(fù)并且精確測(cè)試表性參數(shù)對(duì)溫度和電壓的變化，需要一臺(tái)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)備是最基本要求。該設(shè)備由開關(guān)箱和濾波器組控制的GPIB總線、個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)和控制儀器儀表的軟件控制程序以及將數(shù)據(jù)處理成容易檢查格式的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)器組成。這對(duì)于信道總數(shù)達(dá)975的四頻帶GSM手機(jī)設(shè)計(jì)是必需的。每一個(gè)信道都需要做大量的測(cè)試，每一次測(cè)試都需要大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)來完成測(cè)試。這樣產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此后處理和格式化也是非常重要的，以便快速處理測(cè)試結(jié)果并且得出結(jié)論。

在測(cè)試過程中干擾信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有用信號(hào)(例如阻塞信號(hào)或鄰道干擾)，測(cè)試設(shè)備的相位噪聲可能會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。既然這樣，在開關(guān)盒中需要增加濾波功能。我們也為測(cè)試設(shè)備增加一個(gè)衰落模擬器以完全符合GSM要求。

測(cè)試結(jié)果

下面的測(cè)試結(jié)果是在ADI公司的AD6548硬件平臺(tái)上使用前面描述的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備測(cè)出的。這樣能夠全面、快速地評(píng)估和優(yōu)化參考設(shè)計(jì)，以加速客戶的設(shè)計(jì)周期。對(duì)于GSM最高頻段PCSl900的主要測(cè)試曲線總結(jié)如下。

以上曲線表明測(cè)試結(jié)果超過GSM規(guī)范具有充分的裕量。這為手機(jī)制造商提高了產(chǎn)量同時(shí)為客戶改進(jìn)了性能。例如，靈敏度比GSM規(guī)范－102dBm具有高出7．1dB的裕量，但這是靜態(tài)靈敏度測(cè)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(shè)計(jì)仍可超過性能裕量4dB。阻塞測(cè)試結(jié)果還表明具有超過GSM規(guī)范2％優(yōu)良的BER裕量，甚至使用了超過GSM規(guī)范要求2dB的阻塞測(cè)試儀。

在發(fā)射器端，調(diào)制頻譜表明了極好的測(cè)試結(jié)果。例如在400kHz頻率偏移時(shí)具有大于5dB的裕量，隨著頻譜向外擴(kuò)展會(huì)產(chǎn)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(guī)范5°和20°。

結(jié)語

設(shè)計(jì)出在RF性能、價(jià)位和面向市場(chǎng)時(shí)間方面滿足蜂窩手機(jī)市場(chǎng)嚴(yán)格要求的1．5cm2GSM四頻帶收發(fā)器是可能的。這種外形尺寸對(duì)于手機(jī)制造是非常重要的，以便他們無需增加尺寸即可為手機(jī)增加先進(jìn)的功能和工作模式。根據(jù)選擇的先進(jìn)芯片，限制RF信號(hào)鏈只能選擇三片芯關(guān)鍵片。然而，采用這種高集成度芯片的手機(jī)制造商必須依靠芯片供應(yīng)商完成一項(xiàng)總體工作，即不僅需要子模塊驗(yàn)證而且還有對(duì)系統(tǒng)驗(yàn)證。最好選擇經(jīng)過認(rèn)證的芯片供應(yīng)商，例如ADI公司和Triquint公司，它們不僅能夠提供領(lǐng)先的技術(shù)和具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)位，而且還能為手機(jī)制造商提供手機(jī)設(shè)計(jì)和制造的各個(gè)階段的全面技術(shù)支持。