可消除IF阶段的Othello无线电架构介绍

简介

ADI公司最近发布了革命性的AD6523零中频收发器和AD6524多频段合成器。 AD6523包含直接转换接收器和直接VCO发送器所需的主要功能，称为Virtual-IF ™发送器。它还包括本地振荡器发生模块和完整的片上稳压器，为无线电的所有有源电路供电。 AD6524是一款小数N分频合成器，具有极快的锁定时间，可通过蜂窝电话实现高级数据服务，如高速电路交换数据（HSCSD）和通用分组无线业务（GPRS）。

两个IC共同提供实现GSM手机双频或三频无线电所需的主要功能。直接转换技术与转换环路（或直接VCO）调制器的新转折相结合，将无线电所需的外部滤波量减少到绝对最小值。

GSM标准

全球移动通信系统（GSM）于1992年由欧洲电信标准协会（ETSI）编写标准超过五年后正式启动。 GSM的目标是在一个数字蜂窝标准下统一欧洲通信的巴别塔。在GSM之前，欧洲实际上为每个国家保留了一个单独的蜂窝网络，使得在非洲大陆上进行国际漫游几乎是不可能的。使用GSM，原始17个国家中的任何一个国家的公民都可以使用单个蜂窝手机漫游到任何其他国家。该标准是在未来扩展到数据服务和其他应用程序时编写的，很快在全世界广受欢迎。它现已在140多个国家被接受，有200多个网络正在运行。

最初分配给GSM的频段为移动发射890至915 MHz，移动接收935至960 MHz。该频段扩展到所谓的880至915 MHz和925至960 MHz的E-GSM频段。另一个频率分配是为了进一步扩大GSM容量。该频段分配给数字通信业务（DCS），为1710至1785 MHz和1805至1880 MHz。所有采用GSM的国家都使用这两对频段中的一对，但美国除外，其中两个频段已由FCC分配。 20世纪90年代中期的个人通信服务（PCS）频率拍卖为美国-1850至1910 MHz和1930至1990年的GSM提供了一系列频段。

今天典型的GSM手机（或方便）将具有2W输出功率，并且需要接收低至-102dBm（小于1/10皮瓦）的信号。方便的包括一个强大的数字信号处理器（DSP）内核（相当于ADSP-218x），用于编码，加密，交错，打包，发送，接收，解包，解交织，解密和解码。数据来自和来自语音频带A / D和D / A转换器。同样强大的微控制器（ARM或Hitachi H8）与硬件突发处理器相结合，控制实现时分多址（TDMA）和跳频功能所需的时序，以便在特定的时间和频率频道上保持电话呼叫。微控制器还实现了人机界面，并运行了与基站通信的所有必要协议。

无线电架构设计

今天大多数数字蜂窝电话至少包含一个“ “信号链中的下转换”。该频率转换将所需信号从标准的分配RF频带（例如，在900MHz）移动到某个较低的中频（IF），其中使用窄信道选择滤波器（通常是表面声波）执行信道选择。 （SAW）或陶瓷型）。然后将经过滤波的信号进一步下变频到第二个IF或直接下变频到基带，然后在数字信号处理器（DSP）中进行数字化和解调。

长期以来，对RF设计一直关注使用直接转换接收器的想法。原因很明显：在消费设备转换阶段增加成本，体积和重量。每个转换级需要一个本地振荡器（通常包括一个频率合成器将LO锁定到给定频率上），混频器，滤波器和（可能）放大器。因此，难怪直接转换接收器会很有吸引力。消除了所有中间阶段，降低了接收器的成本，体积和重量。

第一款Othello ™无线电通过集成前端GSM，进一步减少了元件数量低噪声放大器（LNA）。这消除了消除图像所需的RF滤波器（“图像”滤波器），或者混频器和片外LNA的不需要的混频产品。该阶段通常由分立晶体管实现，加上偏置和匹配网络，总共约12个元件。集成LNA总共可节省大约15到17个组件，具体取决于（现已消除的）过滤器所要求的匹配量。

Superhomodyne ™直接转换接收器

图1显示了Othello ™双频GSM无线电架构的功能框图。接收部分位于图的顶部。从天线连接器，所需信号进入发送/接收开关并在适当的路径上退出，GSM频段为925-960 MHz，DCS为1805-1880 MHz。然后信号通过RF频带滤波器（所谓的“屋顶滤波器”），用于通过整个所需频带，同时衰减所有其他带外频率（阻塞 - 包括传输频带中的频率）以防止它们使无线电前端的有源元件饱和。屋顶滤波器后面是低噪声放大器（LNA）。这是系统中的第一个增益元件，有效地降低了所有后续级对系统噪声的影响。在LNA之后，直接转换混频器通过将所需信号与相同频率的本地振荡器（LO）输出相乘，将所需信号从射频（RF）一直转换到基带。

然后将混频器级的输出以正交（I和Q通道）发送到可变增益基带放大器级。 VGA还提供相邻信道的一些滤波，以及带内阻塞的衰减。这些阻塞信号是距离所需信道一定距离的其他GSM信道，比如说3 MHz甚至更远。基带放大器对这些信号进行滤波，使其不会使接收ADC饱和。在放大器级之后，所需信号由接收ADC数字化。

Virtual-IF ™发送器

发送部分从右侧开始，位于多路复用的I和Q输入/输出。由于GSM系统是时分双工（TDD）系统，因此发送器和接收器永远不会同时打开。 Othello ™无线电架构利用这一事实在收发器IC封装上节省了四个引脚。正交发送信号通过多路复用I / O进入发送器。然后将这些I和Q信号调制到中心频率大于100 MHz的载波上。

调制器的输出进入相位频率检测器（PFD），在此处将其与a进行比较。从外部信道选择LO产生的参考频率。 PFD的输出是电荷泵，工作在100 MHz以上，其输出由相当宽（1 MHz）的环路滤波器滤波。环路滤波器的输出驱动压控振荡器（VCO）的调谐端口，其频率范围覆盖GSM和DCS发射频段。

发送VCO的输出被发送到两个地方。主要路径是发射功率放大器（PA），它将发射信号从大约+3 dBm放大到+35 dBm，将其发送到发射/接收开关和低通滤波器（衰减功率放大器谐波）。功率放大器是双频段，带有简单的CMOS控制电压，用于频段开关。 VCO输出也通过耦合器传送到发送反馈混频器，耦合器是印刷电路，由分立电感器和电容器构成，或者是单片（通常是陶瓷）耦合器件。反馈混频器将发送信号下变频到发送IF，并将其用作发送调制器的本地振荡器信号。

这种类型的调制器有几个名称，但最具描述性的可能是“转换循环” 。转换环路调制器利用GSM标准的一个关键方面：调制方案是高斯滤波的最小移位键控（GMSK）。这种类型的调制不会影响包络幅度，这意味着功率放大器可以饱和并且仍然不会使通过它发送的GMSK信号失真。

GMSK可以通过几种不同的方式生成。在另一个欧洲标准（用于无绳电话）中，通过用高斯滤波数据流直接调制自由运行VCO来创建GMSK。在GSM中，选择的方法是正交调制。正交调制产生精确的相位GMSK，但是调制器电路（或上变频级）中的缺陷会产生包络波动，这反过来会在饱和功率放大器放大时降低相位轨迹。为了避免这种恶化，GSM手机制造商不得不使用具有更高线性度的放大器，其代价是降低每个电池充电周期的效率和通话时间。

平移环路调制器结合了直接调制VCO的优势和固有的更精确的正交调制。实际上，该方案创建了锁相环（PLL），包括调制器，LO信号和VCO输出和反馈混频器。结果是直接调制的VCO输出，具有完全恒定的包络和几乎完美的相位轨迹。在AD6523收发器IC中测量的相位轨迹误差低至1.5度，使用信号发生器作为LO信号，为环路提供参考。

频率规划

奥赛罗™无线电设计的一个重要方面是频率规划。 GSM标准对带内和带外杂散发射有严格的要求。 GSM蜂窝电话必须能够承受极高电平（0 dBm）的阻塞，同时继续正常接收。手机也不能向一定水平以上的其他频段发射杂散信号（在GSM接收频段，相对于发射信号为-112 dB！）。

Othello ™无线电架构的设计考虑了整个系统。频率规划经过精心设计，以满足三个同样重要的标准：

通过满足所有这些标准，主要的无线电问题已经解决，始终牢记最终用户和应用。最终的解决方案既优雅又实用。

减少无线电的杂散发射

无线电的杂散发射可能导致发射和接收模式出现问题。任性LO信号可以找到通向天线的路径并“自阻止”直接转换接收器，从而降低灵敏度。 LO信号也可以从天线辐射并降低其他接收器的性能。

在Othello ™频率规划中，本地振荡器的中心频率选择为大约1350 MHz 。这使得战略性地将LO放置在GSM和DCS频带之间，使得单个LO可以用于GSM和DCS，从而节省了组件。由于该频率远离任何一个频段，因此无线电的前端滤波器将衰减任何辐射的LO信号，因此它不会成为辐射杂散发射的问题。即使信号直接从IC上的引脚到引脚耦合，其功率电平也会低于天线接收到的带内或带外阻塞的GSM要求。

在发送部分，杂散信号也可能造成问题。虽然发射器是直接VCO调制器，但反馈混频器会在其输出端引入杂散信号，必须在进入相位检测器之前对其进行滤波。否则，由于相位检测器输入级的非线性操作，它们可能本身出现在输出端或者由于与所需调制信号混合而导致其他寄生信号出现。这是任何转换环路调制器固有的问题。通过使用分离频率很高的LO频率，Othello ™架构简化了这些产品的滤波。

最小化双频带宽本地振荡器VCO

Othello ™架构旨在最大限度地减少构建完整双频段无线电所需的外部组件数量。频率规划是专门选择的，使单个LO VCO可以覆盖GSM和DCS频段，同时仍然满足所有GSM LO VCO所需的3 MHz偏移所必需的严格相位噪声规范。通过将VCO的带宽要求保持在最低水平，VCO可以设计为最大电源电压为2.7 V.这使得整个双频段无线电可以在2.7 V电压下工作，从而降低功耗并实现镍的使用 - 镉（NiCd），镍金属氢化物（NiMH）或锂离子（Li-ion）电池类型。

消除尽可能多的潜在阻断剂

由于在直接转换接收器架构中，Othello ™无线电具有较少的“故障”通道，用于GSM所需的阻塞测试。由于所需的形状因素，超外差接收器必须始终应对难以用RF滤波器滤波的半IF响应。通过直接转换，Othello ™消除了半中频响应。

性能

奥赛罗无线电的一个主要优势是实现它所需的组件数量的减少不会导致性能损失。在GSM和DCS频段，Othello ™系统噪声系数允许从所需的接收器灵敏度-102 dBm产生约6 dB的产量。变送器提供类似的生产余量，相位轨迹误差为2.5°rms，与5°rms的要求相比。

未来的好处

Othello ™无线电是AD6524的小数N分频合成器具有足够短的锁定时间以支持GPRS操作。 [GPRS，即2000年GSM网络的扩展，将允许兼容的GSM手机使用非常高的数据速率。] GPRS操作的要求是LO合成器必须锁定不到半个GSM时隙（锁定时间小于250μs）。 AD6524具有分数N合成器，能够比传统合成器更快地达到锁定，因为分数N类型的工作参考频率高于通道间隔，因此每个参考周期跳过多个通道。对于AD6524，26 MHz参考频率是系统晶振频率的两倍（与200 kHz的通道间隔相比），可确保Othello ™无线电满足所需的锁定时间GPRS。快速锁定时间还有助于通过允许基带部分保持无线电关闭更长的时间间隔来降低功耗。

奥赛罗™无线电为此打开了新的机会之门未来。如今，完整的双频段奥赛罗无线电，包括所有电源管理功能，只需90个组件即可实现。由于组件很少，无线电可以在不到10平方厘米的电路板空间内实现。图2是奥赛罗的原型无线电设计照片，在四层PCB上实现。将其与超外差接收器进行比较，该接收器现在使用大约225个元件，占用的电路板空间小于15平方厘米，用于相同的功能。 （即使这是对两年前无线电的改进，它使用相同数量的组件来实现单波段GSM无线电！）直接转换的优势直接转化为更低成本的方式：更少的组件意味着原始 - 设备制造商（OEM）在物料清单（BOM）上花费较少，而在插入组件时花费较少（每次插入约一便士）。组装手机的时间减少了，提高了工厂的吞吐量;并且手机的可制造性得到改善（焊接接头数量减少等问题）可靠性提高。

由于Othello ™无线电可以如此紧凑，它们可以将GSM无线电技术整合到许多已被排除在外的产品中，例如非常小巧的手机或PCMCIA卡。然而，当多功能第三代手机设计用于处理多种标准时，可以看到直接转换的真正威力。通过直接转换，硬件通道选择滤波器将是不必要的，因为通道选择是在数字信号处理部分中执行的，可以对其进行编程以处理多个标准。将其与超外差结构进行对比;处理不同标准所需的多个无线电电路（因为每个都需要不同的信道选择滤波器）都必须挤在一个小空间内。通过直接转换，相同的无线电链可以用于几种不同的标准，带宽和调制类型。因此，概念上，网络浏览和语音服务可以通过手机中的相同无线电在GSM网络上发生。

ADI公司和GSM

未来，奥赛罗™无线电仅是ADI公司直接转换接收器解决方案系列中的第一款。更多正在进行中。但是这项技术在GSM行业近十年的产品设计中有充分的基础。 ADI芯片可以在全球数百万台GSM手机中找到。