超小型ＧＳＭ射频收发解决方案设计考虑

现代蜂窝手机设计对收发器部分的要求比较严格，虽然手机的射频收发部分通过复杂的软件与用户界面完全分开，但是为了使手机满意工作收发器部分是绝对重要的。美国模拟器件公司通过选择最高集成度的芯片并且精心布线，能够实现1．5cm²外形尺寸先进的GSM／GPRS收发器。这样可构成仅由三片关键芯片组成的信号链路。

·完全集成收发器半导体集成电路(IC)

·集成收发(T／R)开关和功率放大器

·与集成电路匹配的表面声波(SAW)滤波器模块

然而，必须注意这种高集成度芯片确保它们完全兼容，从而降低了电路设计工程师优化性能的灵活性。目前由芯片供应商提供的系统级确认也是极其重要的，以确保能够产品的性能和满足面世时间的要求。

系统设计

由第三代合作伙伴计划(3GPP)开发的称为3GPPTS45．005的GSM技术规范规定了最低射频(RF)性能。在早期收发器系统的设计中，必须先将GSM技术规范正确地转化为设计参数，然后对系统各部分起作用的每个单元分配预算。如果某个单元是单独的器件，那么各器件供应商之间的技术指标应相互兼容以满足总体性能目标的要求。在完全集成压控振荡器(VCO)、储能电路和滤波器的收发器设计中，满足系统级技术指标的责任在于芯片供应商。因此用合适的系统分析工具验证系统体系结构非常重要。下表说明了对GSM收发器技术规范起主要作用的各单元电路的技术参数。

在利用共享RF频谱资源时，其发射器部分应根据通信网络性质受GSM技术指标的严格控制。这可以确保有效地管理网络并且避免受手机用户频谱之间的影响而降低质量。最后必须使用频谱屏蔽技术，这对于避免发射机在接受频带内产生阻塞其它用户信道的无用杂散输出或噪声是必需的。转换环路体系结构为发射部分提供一种高集成度解决方案，并且正确设计使得在发射部分无需外部滤波器。对于双频带或四频带GSM设计其受益会更大。

从表1可看出，发射机的性能取决于收发器和功放的设计及实现。

当代收发器的接收机部分全部采用完全集成的有源电路。仅需的外部元件是接收机前端的开关和频带选择SAW滤波器。滤波器用来在有很强的带外阻塞信号情况下确保高性能。但是仍然存在个别难题，例如RF频谱不受网络运营商控制，因此其易受来自其它通信系统的大功率信号和其它电子设备(例如，微波炉和汽车点燃系统等)引起的干扰的影响。

如果为接收机选择直接变频体系结构，我们就会获得几项重要的益处，从而允许使用完全集成设计来满足GSM规范。

·降低接收机信号链路的复杂程度

·需要单独的本机振荡器(LO)

·完全消除象频

·位于基带的中频(IF)器件使用更小电流支持内置滤波功能

这种体系结构的优势是为客户带来了高性能价格比的集成解决方案的好处。由于单独的LO最大程度减小了晶振串扰和耦合(晶振串扰和耦合会降低选择信道的灵敏度，产生有害的杂散响应或是造成手机在产品定型或网络互通性测试阶段失效的杂散发射)，所以其具有高集成度解决方案的优点。这些问题难以预测并且对外部印制电路板(PCB)的设计或布线非常敏感。该体系结构的低复杂度也降低了设计风险和最终的功耗，从而延长了手机的待机时间。

器件选择

如果手机设计工程师结合AD6548收发器和TriQuint公司的TQM6M4001发射模块以及SAW滤波器模块，则会很快达到1．5cm²GSM／GPRS高性能射频设计的设计目标。

收发器IC

AD6548(Othello-G收发器)是美国模拟器件公司(简称ADl)直接变频GSM收发器的最新产品，它采用5millx 5mm 32引脚LFCSP封装。该芯片采用Othello技术构建，这种技术是1999年首次用于开放市场直接变频的GSM射频收发器。它将拥有专利权的电路设计、体系结构和系统知识结合起来解决了自动检测、直流(DC)失调和压控振荡器(VCO)相位噪声等老的难题。因此GSM射频收发器大大减少了芯片数量并且降低了成本，而且无需IFSAW滤波器、VCO以及相关元件。AD65480thello-G收发器为GSM／GPRS射频收发器设计的集成度和总体解决方案的尺寸建立了新的标准。Othello—G收发器是真正的四频带设计，具有用于850MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz频带的独立可编程增益低噪声放大器(LNA)。用于发射频带和接收频带的本地振荡(LO)发生器带有内置的快速锁定小数N分频锁相环(PLL)频率合成器和集成的环路滤波器发射和接受压控振荡器(VCO)和储能电路组成。AD6548也包含一个内置晶体振荡器和校准系统，从而无需使用传统的外部压控式温度补偿晶体振荡器(VCTCXO)并且降低了成本。这种变换环路发射器体系结构无需在收发器和功放之间使用外部滤波。

AD6548在电源管理方面具有极具吸引力的特性，其将用于收发器的低压差(LDO)稳压器完全集成到芯片内。这意味着芯片可以直接与电池电源相连，而无需附加的外部元件和复杂连接。LDO和芯片的电源控制全部由共用串行接口总线完成，从而无需附加的外部芯片并且确保射频和LDO时序命令要求之间的同步，以便在过渡期间对功耗进行严格控制。

开关与功率放大器

先进的处理能力、封装形式和设计技术使高集成度模块切实可行，从而减小电路尺寸并且提高性能。Triquint公司的TQM6M4001发射模块采用市场上最小的封装尺寸-6×6×1．1mm—集成了收发器和天线之间的所有RF发射功能，它与具有竞争力的解决方案相比大大减小了电路尺寸。TQM6M4001发射模块体系结构和接口适合于AD6548之类的收发器，并且确保在手机PCB板上实现最佳布线。

TQM6M4001模块采用了分立的GSM850／900和DCSl800／PCSl900功放模块以及当代功率放大器模块中的集成功率控制。此外，它还具有低插入损耗四频带pHEMT开关、发射端谐波滤波、集成开关解码器、四个接收端口以及实现完整RF发射所必需的全部防静电放电(ESD)功能。TQM6M4001发射模块无需进行外部功放匹配。

TriQuint公司采用了6英寸封装的GaAs处理器设计其电路，包括分别用于PA、低通滤波器(LPF)和开关的InGaPGaAsHBT和GaAspHEMT。其中PA和开关的所有控制功能都集成在其CMOS专利设计中。该发射模块是基

板结构，所有的管芯通过引线键合相连。TriQuint公司通过使用集成技术业界率先减小了电路尺寸以避免在模块中使用所有的匹配和偏置表面粘元件(SMD)。TQM6M4001发射(Tx)模块的主要设计目标是进一步提高GSM／GPRS％作在所有四个频带时完整发射链路的DC和RF性能，并且比单独的PA和天线开关模块阵列增强了性能。

SAW滤波器和匹配模块

正如前面所描述的，前端电路设计对于接收器性能极其重要。通常这需要很多器件。在每一个频带都需要一个SAW滤波器和四个LNA匹配器件，因此四频带设计需要16个器件，从而占用了相当大的PCB面积。由于前端电路对SAW滤波器和LNA输入电路很敏感，通常需要经验丰富的RF工程师调整匹配模块以获得满意的性能，这却是一件非常耗时的工作。

当今已经出现了另一种可行的方法以提供优良的解决方案。由日本富士通公司、日本村田公司、美国SAWTEK和厦门EPCOS有限公司等全球领先供应商提供的模块工艺允许将SAW滤波器和匹配电路完全集成在5mmx3mm的封装尺寸内。这种方案除了减小PCB面积并且缩短设计时间外，还通过缩短芯片间距离以减小PCB印制线上的寄生效应，从而提高性能。供应商通过插入替换封装的芯片可以提供双、三和四频带解决方案，从而为各种类型手机设计提供低成本高性能解决方案。

为了优化LNA匹配，收发器供应商将为模块生产厂商提供LNA输入的精确s—参数，包括键合线和封装寄生效应。使定制的器件以与具体的IC严格匹配。微调、测试和验证由两家供应商共同完成，并且完成参考设计中评估的解决方案。这种方案对于手机生产厂商具有明显的优势，因为甚至在手机设计之前都完成了设计任务，因此缩短了产品的面世时间并且减小了封装尺寸。

系统级验证

RF系统设计和实现一旦完成，下一个重要的步骤是完成全面验证。首先对基本RF参数做验证，例如噪声指数，IP2和IP3等，但是这种验证纯粹是为了确保要求的设计参数得到满足。主要测试参数应该集中在GSM规范中的系统验证等级。这只能通过测试使用基带芯片组和GSM软件协议栈的完整参考设计来实现。必须对通话成功地提供一台测试仪器以完成所要求的回送误码率(BER)测试。

Rohde&SchwarzCMU200射频收发通信测试仪器或类似仪器可用来进行基本的测试，因为它们能够依照GSM规范快速精确地测量参数。使用一台测试设备的局限性在于无法完成杂散发射、接收器阻塞、AM波抑制、交互失真以及相邻通道测试。如果一款手机在产品定型验证阶段没有满足这些测试要求，则会导致成本和时间的浪费。因此我们需要一个比较高级的测试设备，如图4所示。

为了确保快速、可重复并且精确测试表性参数对温度和电压的变化，需要一台自动化实验室测试设备是最基本要求。该设备由开关箱和滤波器组控制的GPIB总线、个人计算机(PC)和控制仪器仪表的软件控制程序以及将数据处理成容易检查格式的数据格式存储器组成。这对于信道总数达975的四频带GSM手机设计是必需的。每一个信道都需要做大量的测试，每一次测试都需要大量的数据点来完成测试。这样产生了大量的数据点，因此后处理和格式化也是非常重要的，以便快速处理测试结果并且得出结论。

在测试过程中干扰信号远远大于有用信号(例如阻塞信号或邻道干扰)，测试设备的相位噪声可能会影响测试结果。既然这样，在开关盒中需要增加滤波功能。我们也为测试设备增加一个衰落模拟器以完全符合GSM要求。

测试结果

下面的测试结果是在ADI公司的AD6548硬件平台上使用前面描述的自动测试设备测出的。这样能够全面、快速地评估和优化参考设计，以加速客户的设计周期。对于GSM最高频段PCSl900的主要测试曲线总结如下。

以上曲线表明测试结果超过GSM规范具有充分的裕量。这为手机制造商提高了产量同时为客户改进了性能。例如，灵敏度比GSM规范－102dBm具有高出7．1dB的裕量，但这是静态灵敏度测量。一旦包括了衰落条件，虽然取决于基带，通常还需要超过SNR3dB。本RF设计仍可超过性能裕量4dB。阻塞测试结果还表明具有超过GSM规范2％优良的BER裕量，甚至使用了超过GSM规范要求2dB的阻塞测试仪。

在发射器端，调制频谱表明了极好的测试结果。例如在400kHz频率偏移时具有大于5dB的裕量，随着频谱向外扩展会产生更大的裕量。RMS值和峰值相位误差也具有足够的裕量，分别超过规范5°和20°。

结语

设计出在RF性能、价位和面向市场时间方面满足蜂窝手机市场严格要求的1．5cm2GSM四频带收发器是可能的。这种外形尺寸对于手机制造是非常重要的，以便他们无需增加尺寸即可为手机增加先进的功能和工作模式。根据选择的先进芯片，限制RF信号链只能选择三片芯关键片。然而，采用这种高集成度芯片的手机制造商必须依靠芯片供应商完成一项总体工作，即不仅需要子模块验证而且还有对系统验证。最好选择经过认证的芯片供应商，例如ADI公司和Triquint公司，它们不仅能够提供领先的技术和具有竞争力的价位，而且还能为手机制造商提供手机设计和制造的各个阶段的全面技术支持。