半平方英寸UMTS基站接收器模块

作者：Doug Stuetzle and Todd Nelson

在满足宏蜂窝基站性能要求的同时，可以实现多少集成？工艺技术仍然要求在特定工艺中实现某些关键功能：GaAs和SiGe最适合RF领域，用于高速ADC的细线CMOS以及半导体材料中无法很好地实现高Q值滤波器。然而，市场需要更多的密度。

考虑到这一点，我们选择使用系统级封装（SiP）技术来构建一个占地约半平方英寸（略高于3厘米）的接收器。2).接收器的边界是 50 欧姆射频输入、50 欧姆 LO 输入、ADC 时钟输入和数字 ADC 输出。这就需要为输入、LO和时钟生成以及数字输出的数字处理添加LNA和RF滤波。在15 × 22 mm封装中，信号链采用SiGe高频元件、分立式无源滤波和细线CMOS ADC。

以下文章介绍了两种μModule产品的设计分析：实施直接变频接收器的LTM9004和实施中频采样接收器的LTM9005。

设计目标

设计目标是UMTS上行链路FDD系统，特别是3GPP TS25.104 V7.4.0规范中详述的I工作频段中的中域基站。灵敏度是接收器的主要考虑因素;对于?19.8 dB/5 MHz的输入SNR，要求为≤?111 dBm。这意味着接收器输入端的有效本底噪声必须≤?158.2 dBm/Hz。

设计分析—零中频或直接变频接收器

LTM9004 是一款直接变频接收器，采用一个 I/Q 解调器、基带放大器和一个双通道 14 位、125 Msps ADC，如图 1 所示。LTM9004-AC低通滤波器在9.42 MHz时具有0.2 dB转折，允许使用4个WCDMA载波。LTM9004 可与一个 RF 前端配合使用，以构建一个完整的 UMTS 频段上行链路接收器。RF前端通常由一个双工器、一个或多个低噪声放大器（LNA）和陶瓷带通滤波器组成。为了最小化增益和相位不平衡，基带链实现了固定增益拓扑;因此，在 LTM9004 之前需要一个 RF VGA。以下是此类前端的典型性能示例：

接收频率范围：1920 至 1980 MHz

射频增益：最大 15 dB

AGC 范围：20 dB

噪声系数：1.6 dB

IIP2： +50 分贝

IIP3： 0 分贝

P1分贝： ?9.5 分贝

20 MHz 时的抑制：2 dB

发射波段抑制：96 dB

图1.直接变频架构在 LTM9004 μModule 接收器中实现。

考虑到该RF前端的有效噪声贡献，LTM9004的最大允许噪声为?142.2 dBm/Hz。 LTM9004的典型输入噪声为?148.3 dBm/Hz，计算得出的系统灵敏度为?116.7 dBm。

通常，这种接收器在ADC之后享受对数字化信号进行一些DSP滤波的好处。在这种情况下，假设DSP滤波器是一个64抽头RRC低通，alpha等于0.22。为了在存在同信道干扰信号的情况下工作，接收器必须在最大灵敏度下具有足够的动态范围。UMTS规范要求最大同信道干扰电平为?73 dBm。请注意，对于波峰因数为10 dB的调制信号，LTM9004中频通带内?1 dBFS的输入电平为?15.1 dBm。在LTM9004输入端，这相当于?53 dBm，或?42.6 dBFS的数字化信号电平。

将RF自动增益控制（AGC）设置为最小增益后，接收器必须能够解调来自手机的最大预期所需信号。此要求最终设定了 LTM9004 必须容纳的最大信号等于或低于 ?1 dBFS。规范中规定的最小路径损耗为53 dB，假设手机平均功率为+28 dBm。接收器输入端的最大信号电平为?25 dBm。这相当于?14.6 dBFS峰值。

UMTS系统规范中详细介绍了几个阻塞信号。在存在这些信号的情况下，仅允许指定量的脱敏;灵敏度规格为?115 dBm。第一个指定的阻塞信号是距离5 MHz的相邻通道，电平为?42 dBm。数字化信号的电平为?11.6 dBFS峰值。DSP后处理增加了51 dB抑制，因此该信号相当于接收器输入端的?93 dBm干扰。所得灵敏度为?112.8 dBm。

接收器还必须应对10 MHz≥?35 dBm干扰信道。μModule接收器的IF抑制会将其衰减至?6.6 dBFS峰值的等效数字化信号电平。使用DSP后处理时，接收器输入端的噪声为?89.5 dBm。所得灵敏度为?109.2 dBm。

还必须容纳带外阻滞剂，但这些阻断器与已经解决的带内阻滞剂处于同一水平。

在所有这些情况下，LTM9004 ?1 dBFS 的典型输入电平远高于预期的最大信号电平。请注意，调制通道的波峰因数约为10-12 dB，因此其中最大的波峰因数将在LTM9004输出端达到约?6.5 dBFS的峰值功率。

最大的阻塞信号是超出接收带边沿20 MHz≥?15 dBm CW音调。RF前端将提供37 dB的该音调抑制，因此它将出现在LTM9004的输入端，频率为?32 dBm。同样，此电平的信号不得使基带μModule接收器脱敏。等效数字化电平仅为?41.6 dBFS峰值，因此对灵敏度没有影响。

另一个不需要的信号功率来源是发射器泄漏。由于这是FDD应用，因此此处描述的接收器将与同时工作的发射器耦合。假设发射器输出电平≤+38 dBm，发射到接收隔离度为95 dB。LTM9004输入端出现的漏电流为?31.5 dBm，与接收信号偏移至少130 MHz。等效的数字化水平仅为?76.6 dBFS峰值，因此没有脱敏。

直接变频架构的一个挑战是二阶线性度。二阶线性度不足将允许任何信号（无论需要或不需要）在基带上产生直流偏移或伪随机噪声。如果这种伪随机噪声接近接收器的噪声电平，上面详述的阻塞信号将降低灵敏度。系统规格允许在每种情况下存在这些阻断剂时灵敏度下降。根据系统规格，?35 dBm阻塞通道可能会将灵敏度降低至?105 dBm。如上所述，该阻塞信号在接收器输入端构成?15 dBm的干扰电平。LTM9004输入产生的二阶失真比热噪声低约16 dB，由此产生的预测灵敏度为?116.6 dBm。

?15 dBm CW阻塞器也会产生二阶积;在这种情况下，产品是直流偏移。直流失调是不可取的，因为它会降低A/D转换器可以处理的最大信号。减轻直流失调影响的一种可靠方法是确保基带μModule接收器的二阶线性度足够高。该信号引起的预测直流失调在ADC输入端<1 mV。

请注意，系统规格中不包括发射器泄漏，因此必须将此信号引起的灵敏度下降降至最低。假设发射器输出电平≤+38 dBm，发射到接收隔离度为95 dB。LTM9004中产生的二阶失真使得灵敏度损失将<0.1 dB。

规范中对三阶线性度只有一个要求。在存在两个干扰源的情况下，灵敏度不得低于?115 dBm。规范中的干扰源是CW音和WCDMA通道，每个通道均为?48 dBm。它们将以?28 dBm出现在LTM9004输入端。它们的频率使得它们距离所需信道10 MHz和20 MHz，因此三阶互调产物落在基带。同样，该产品显示为伪随机噪声，因此会降低信噪比。LTM9004产生的三阶失真比本底热噪声低约20 dB，预测的灵敏度下降<0.1 dB。

设计分析—140 MHz 中频采样接收器

LTM9005 是一款中频采样接收器，内置一个下变频混频器、一个带可变衰减器的中频放大器、一个表面声波 （SAW） 滤波器和一个 14 位、125 Msps ADC，如图 2 所示。LTM9005-AB SAW滤波器的中心频率为140 MHz，带宽为20 MHz，允许使用4个WCDMA载波。如上所述，LTM9005-AB 可与类似的 RF 前端配合使用，以构建一个完整的 UMTS 频段上行链路接收器。在这种情况下，适当的前端应具有14.5 dB的最大RF增益。

图2.在 LTM9005 μModule 接收器中实现的中频采样架构。

以下是 LTM9005-AB 的典型关键规格：

?1 dBFS 的信号输入：?17.8 dBm

输入噪声电平：?158 dBm/Hz

IIP3：

中频内 2 音：+17.7 dBm

中频外 2 音：+19 dBm

P1分贝，中频通带外：+8.8 dBm

雷杰。中频通带外：40 dB

LTM9005-AB的典型输入噪声为?158 dBm/Hz。考虑到RF前端的噪声，最大RF增益下的预测系统灵敏度为?122.2 dBm。

UMTS规范要求最大同信道干扰源为?73 dBm。将接收器设置为最大增益时，达到μModule接收器输入的电平为?58.5 dBm。请注意，调制通道的波峰因数约为10-12 dB，因此该信号在μModule接收器输入端将达到约?48.5 dBm的峰值功率。这相当于ADC输入端的?31.7 dBFS。

将RF AGC设置为最小增益，手机平均功率为+28 dBm时，规范中规定的最小路径损耗为53 dB。接收器输入端的最大信号电平为?25 dBm。此条件设置了可以放置在μModule接收器之前的最大RF增益。假设RF AGC范围为20 dB，则LTM9005-AB输入端的信号电平为?30.5 dBm。考虑到波峰因数，该信号在μModule接收器输入端将达到约?20.5 dBm的峰值功率。这相当于ADC的?3.7 dBFS。

考虑接收器设置为在存在阻塞信号时的最大RF增益。同样，灵敏度规格为?115 dBm。请注意，一旦接收信号被数字化，将使用DSP完成额外的带通滤波。假设此操作的抑制系数为 20 dB。

这些阻塞信号中的第一个是电平为?52 dBm的相邻通道。μModule接收器的IF抑制为40 dB，DSP后处理再增加20 dB。因此，该信号相当于接收器输入端?114.5 dBm的干扰源;数字化信号的电平为?50.7 dBFS。所得灵敏度为?122.2 dBm。

接收器还必须应对10 MHz≥?40 dBm干扰信道。同样，RF前端不会抑制该通道，但μModule接收器的IF和DSP抑制会将其衰减到接收器输入端的?102.5 dBm等效电平。这相当于数字化信号电平为?38.7 dBFS，所得灵敏度为?119.8 dBm。

在所有这些情况下，LTM9005-AB ?1 dBFS 的典型输入电平远高于预期的最大阻塞电平。请注意，所得灵敏度均在?115 dBm规格范围内。

还必须容纳带外阻塞信号，其中最大的带宽带边沿是?15 dBm CW音调，≥接收带边沿20 MHz。RF前端将提供约37 dB的该音调抑制，IF滤波器将提供另外40 dB的衰减。考虑到DSP抑制，该音调相当于?114.5 dBm。所得灵敏度为?122.2 dBm，数字化信号电平为?60.7 dBFS。

假定发射器输出电平为≤+38 dBm，发射到接收隔离度为95 dB。接收器输入端的等效电平（考虑IF和DSP抑制）为?119.5 dBm或?55.7 dBFS。所得灵敏度为?122.2 dBm，也在?115 dBm规格范围内。

对于三阶线性度，在存在两个干扰源的情况下，灵敏度不得低于?115 dBm。干扰源为CW音和WCDMA通道，每个通道为?48 dBm，每个干扰源将在LTM9005-AB输入端以?33.5 dBm的速度出现。它们的频率使得它们与所需通道相距10 MHz和20 MHz，因此三阶互调产物落在IF通带内。在这里，该产品再次显示为伪随机噪声。使用适用于通带外音调的IIP3，预测的三阶积显示为?131.1 dBm。这比噪声水平低约30 dB，对灵敏度没有影响。

结论

LTM9004 和 LTM9005 具有 UMTS 基站应用所需的高性能，同时又提供了非常紧凑的设计所需的小尺寸和高集成度 （参见图 3）。通过利用SiP技术，μModule接收器可以将采用最佳半导体工艺（SiGe、CMOS）制造的元件与无源滤波器元件组合在一起。

图3.实际演示板照片显示需要最少的外部电路。

审核编辑：郭婷