SMARTi 3G的深度报导： 单片六频段CMOS射频收发器提升您对UMTS的认识(上)

JasonYoo

SMARTi 3G的深度报导： 单片六频段CMOS射频收发器提升您对UMTS的认识(上) [复制链接]

本文将阐述SMARTi 3G的设计思路，并讨论如何利用SMARTi 3G实现运营商所需的、复杂并极具挑战性的全频段支持功能，比如自适应接收基带滤波器、全集成式发射和接收分数锁相环，以及可编程、可控制前端输出。

通用移动通信系统(UMTS)已经成为真正的全球性标准，通过六个指定频段为欧洲、亚洲、北美和日本全面提供移动通讯服务。UMTS糸统急需更强的功能和更快的传输速度，以及尺寸更小和更便宜的元器件。这就成为所有元器件供应商所面临的挑战。.英飞凌最近推出的射频收发器——SMARTi 3G，是全球第一款专为W-CDMA开发的CMOS单芯片射频收发器。使用先进的工艺加上创新的封装设计产生了及其紧凑的整体设计, 设计出仅(5mmx5mm)大小的器件。

SMARTi 3G支持W-CDMA UTRA FDD 标准中指定的全部六个UMTS频段，这些频段分别应用在世界上不同的地方。因此，采用了SMARTi 3G的手机可同时用于欧洲、亚洲、北美和日本。它还能进一步满足日本营远商的特殊要求支持I (2100MHz)、III(1700MHz)和 VI (800MHz)频段以及最先进的HSDPA功能.

本文旨在进一步说明SMARTi 3G的特性， 并讨论如何利用SMARTi 3G实现运营商所需的、复杂并极具挑战性的全频段支持功能，比如自适应接收基带滤波器、全集成式发射和接收分数锁相环，以及可编程、可控制前端输出。

前言

在日本和欧洲成功推出UMTS服务之后，对W-CDMA收发器的需求再度攀升：除了大幅度降低芯片尺寸、降低外围组件数量、降低所占PCB板空间和材料成本之外，还需要芯片既能工作在常规频段I, 也能灵活适用其它频段。由于UMTS的全双工特性, 如果要求支持所有频段, 就需要把多条收发通道集成在同一芯片上. 再加上要求芯片尺寸相比以前更小, 降低收发通道之间的串扰就成为一项非常具有挑战性的任务。

SMARTi 3G是全球第一款、支持全部六频段, 全集成式单片W-CDMA/HSDPA频分复用(FDD)直接转换式射频收发器。该收发器采用英飞凌0.13μm RF-CMOS工艺C11RF制造而成。在成功推出单芯片集成式收发器——SMARTi U之后，SMARTi 3G达到了最高的集成度水平，因而降低无线系统设计的复杂度和制造成本，也缩短了高端UMTS解决方案的上市时间。

系统概述

SMARTi 3G包括三条零中频接收通道、三条直接转换型发射器通道以及两个分数型频率合成器。所有的IC功能都通过一种与多种通讯标准兼容的编程接口进行控制. 这种编程接口是源于3线总线，具有前向兼容性, 还具有全面的读/写访问能力。

直接转换型接收通道, 每个频段接收通道都是差分输入.接收通道的信号滤波由可校准型模拟有源基带滤波器及2.7MHz二阶可编程陷波滤波器共同完成。另外所有直流偏差也是通过内部电路进行补偿的。

图 1给出了了两条接收器性能变化曲线：复合误差向量幅度(EVM)和信噪比(SNR)，在UMTS频段I(在欧洲使用)里，随输入功率变化的变化曲线。

发射通道包括一个三阶Butterwoth型模拟有源基带滤波器、三个直接转换弍频率上变频器、一个增益控制范围超过85dB的VGA模块和高功率输出驱动器模块(输出信号强度可达到7dBm)。VGA模块的自适应直流偏置控制能确保整个输出功率范围内拥有最低的电流消耗。每个直接转换型发射通道包括一个完全差分可编程输入缓冲器，以匹配不同的基带输入信号。额外的三阶Butterworth型基带滤波器可除去不想要的信号，比如基带数模转换器的远程噪声或杂散辐射，同时不让想要的信号失真。

图2显示出以1.95GHz为中心频率的典型发射输出频谱。

发射和接收通道都使用全集成式分数型频率合成器. 加上片上环路滤波器和参考电阻器，能最大限度降低外部组件的数量。为覆盖所有工作频段，及提供额外的余量以补偿生产工艺带来的偏差, 芯片使用了具有很宽调谐范围的差分弍压控振荡器。通过开启额外的VCO射频输出端的二分频器(by-2-divider)，可实现在UMTS频段V和VI里的操作。芯片通过内部调整算法选择合适的VCO工作范围, 该算法通常在PLL启动时或新频率设置时起动。而通过校准可进一步最大限度降低PLL里的偏差，比如环形滤波器拐点频率的离散等。接收通道频率合成器另具有ICSS(初始收速信道选择)功能，能在有限频段内进行非常快速的频率切换。这可最大限度缩短与基站建立连接的时间。

工作环境

SMARTi 3G的工作电压范围为 2.7 – 3V，工作环境温度范围为-30-+85°C，可配置成不同的参考振荡器频率以及不同的基带接口参数(比如I/Q共模电压)，因而有极强的兼容性。多种节能模式可确保所有工作场景下取得最低电流消耗。如果发射和接收功能都不使用，“睡眠模式”将被激活，这可将电流消耗降低为只有几毫安。这种特性非常有用, 特别当用户设备被用于非无线用途比如普通PDA功能时，可最大限度延长电池使用时间。在睡眠模式下，即使在55°C的高温下总电流消耗也可保持在10μA。所有寄存器设置都保存在特殊的RAM里，以便IC能在下次唤醒时取回所有原始设置。

封装

为了实现最佳的性能和更小的尺寸，必须仔细考虑产品外部封装设计和IC内部模块布置。由于采用革命性的封装方式, 使5mmx5mm这样超小整体尺寸成为可能: SMARTi 3G是英飞凌首个采用了超细间距半球栅阵列(WFSGA)封装方式的芯片。带有81针的PG-VVFSGA封装具有0.5mm栅.间距及0.8mm最大高度,非常适用于超薄手机设计。

PG-WFSGA是一种绿色封装(无铅)，自2004年起, 绿色封装被用于所有英飞凌新产品。

HSDPA 功能

UMTS提供的新服务, 比如视频信号流,推动了数据速率的大幅度提升。3GPP W-CDMA第5版标准定义了使用高速下行分组接入(HSDPA)方式的数据速率可高达14.4Mbps(理论限值)。HSDPA要求新的共享下行通道——高速下行共享通道(HS-DSCH)、新的调制技术, 以及自适应通道传输调整以取得更快,谱效率更高的传输，所有这一切将导致硬件实现更复杂。比如说，在收发器发射端，HSDPA的添加将影响ACLR性能要求和最大输出功率性能要求，因此需要在设计过程中充分考虑这些问题。

为实现更高数据速率, 需要更高阶调制,也意味着更高的总体性能指标要求,特别是接收器线性方面, 压力更大。在接收通道，增加的数据速率及提高SNR要求同时, EVM也会直接受到影响。当基站仅利用QPSK调制方式发射复合信号时，EVM应不低于17.5%。当基站利用高阶调制方法发射复合信号时，EVM要求变成为不低于12.5%。对于SMARTi 3G而言， 优秀的EVM指标使其可适用于具有HSDPA规范7/8的网络。

下表列出了不同的HSDPA规范, 调制方式、使用的编码数量和支持的数据速率。

最大数据速率由调制方式(参见HSDPA规范)、编码率(TFRC:传输格式及源信号编码)和使用的代码数量确定。

2005年6月推向市场的SMARTi 3G是第一款支持HSDPA第八类规范的RF收发器，下行峰值数据传输速度为7.2 Mbps。

作者：Irina Prjadeha，Rainer Koller博士, Infineon Technologies公司