空間！有待探索的最后一片疆域,將高性能RF信號鏈集成至更小空間的解決方案是行業需求也是未來趨勢。

日趨小巧緊湊的設備

在實驗室里有一臺Rohde & Schwarz FSIQ頻譜分析儀，它的一側貼著一個標簽：“兩人抬”。 如果我們讓時間快進十年，可能只需要一只手就能拎起一臺先進的頻譜分析儀。 這雖然有點夸張，但保守地說，肯定不需要“兩人抬”。整個行業似乎都在重復這一幕，設備變得越來越小、越來越緊密，或者保持尺寸不變的同時增加更多功能。這增大了設備設計的難度。 更嚴峻的問題是，冷卻風扇卻在設備中用得越來越少，這就帶來了降低設備功耗和自熱的壓力。如圖1所示，包括現代通信設備在內的設備越來越小巧緊湊。

圖1 小巧緊湊的設備 

考慮無線收發器的設計方法時，必須盡早決定是否以分立方式構建電路。要實現藍牙、Zigbee或GPS等常用無線電標準，采用分立方案意義不大。 同樣的道理，高度集成的芯片組除了它的本來的應用外，幾乎沒有其他用處。一般從空間角度考慮，高度集成的芯片組較佳，但往往靈活性不足，而且性能低于采用分立器件實現的電路。這自然引出下面的問題：是否有一個兩全其美的解決方案？也就是說，它既有一定的集成度，可以節省空間，同時能為設計人員提供適當的靈活性。

必須考慮RF信號鏈中典型器件的相對尺寸。現代有源器件，例如IQ調制器、IQ解調器和混頻器等，通常采用MLF封裝，典型尺寸為16mm2~36mm2。VCO和SAW濾波器相對較大。100mm2的VCO并不罕見，SAW濾波器的表面面積常常達到35mm2。

LO合成技術的演變

基于PLL的頻率合成器有兩個主要器件：鎖相環(PLL)和壓控振蕩器(VCO)。由于分立VCO的尺寸相對較大，因此IC設計界非常希望將VCO集成到PLL中。

雖然將VCO集成到IC芯片并不是特別困難，但要集成高質量VCO并非易事。 所謂高質量，是指信號的相位噪聲或頻譜純度。較低的VCO相位噪聲可以改善接收機靈敏度以及發射和接收信號的誤差矢量幅度。

圖2所示比較多款集成到IC中的VCO相位噪聲性能。1MHz偏移時-135dBc/Hz的相位噪聲可以與分立VCO的性能相媲美。

圖2 多款集成到IC中的VCO相位噪聲性能

ADF4350和ADF4351，這些是集成VCO的PLL系列器件。 除了相位噪聲非常低以外，這些器件中的VCO庫具有完整的倍頻程范圍。將寬VCO頻率范圍與一組分頻器結合，便可獲得137.5 MHz~4.4 GHz的連續工作范圍。 對于ADF4351，器件中還有額外的分頻器，因此其最低工作頻率為35 MHz。

ADF4351 PLL的閉環相位噪聲性能如圖3所示，VCO工作頻率為4.4GHz。 閉環相位噪聲由上方的深藍色曲線表示。隨著分頻器相繼開啟，輸出頻率不斷降低；頻率每降低一半，相位噪聲性能提高6 dB。

圖3 ADF4351 PLL的閉環相位噪聲性能

VCO庫提供一個倍頻程的調諧范圍，利用分頻器陣列實現4.4GHz~35MHz的工作范圍。器件尺寸5mm×5mm，主要外部元件包括電源去耦電容和環路濾波器。

VCO和分頻器庫均集成于片上，剩余的外部器件只有電源去耦電容和外部環路濾波器。因此，集成VCO將能節省相當大的空間。

接收信號鏈的演變

接收機架構如何演變，以及對這些電路的尺寸有何影響呢？回顧幾年前，我們發現，那時的典型分集接收機已經具有一定的集成度。但在混頻器的RF側，LNA和可變衰減器全部是分立器件。混頻器的LO則利用外部VCO實現。

現在我們展望幾年后的情況，對于大多數應用，帶分立VCO的PLL可以由單個集成器件所取代。此外，混頻器RF側的集成度更高。后置LNA放大器與可變衰減器集成在一起。 這可以稱作水平集成，即信號鏈中的相鄰器件合并到一個封裝中。但是，可以注意到，前端LNA仍是一個獨立器件。這是因為，設計LNA的PHEMPT工藝并不是特別有利于與數字步進衰減器集成。

當我們集成分集接收機中的器件時，還有一個選項可以考慮，即所謂“垂直集成”。 如圖4所示，我們選擇了雙通道ADC和雙通道ADC驅動器，但使用兩個獨立的混頻器。

圖4 中頻采樣信號鏈的演變

垂直集成時必須考慮的一個重要因素是器件之間的寄生耦合或泄漏。比如，一個雙通道混頻器的輸入至輸入泄漏，值得注意的是泄漏水平隨輸入頻率提高而提高。這是非常典型的現象，因為寄生耦合路徑的阻抗隨頻率提高而降低。所以，混頻器的RF側通常不采用垂直集成方式。就混頻器而言，一般都會提供單通道和雙通道版本，設計人員可以決定所需的集成度。

近年來，業界熱衷于用直接變頻或零中頻接收機來取代常用的中頻采樣架構，如圖5所示。 零中頻接收機利用IQ解調器，將RF信號一步下變頻至基帶。這種架構最吸引人之處在于，它無需前端鏡像濾波器以及尺寸相對較大、損耗較高的IF SAW濾波器。這種方法具有空間優勢，但對頻率非常敏感。由于無需擔心IF和頻率規劃，因此接收機的頻率范圍僅受PLL、IQ解調器和前端LNA的工作范圍的限制。寬帶IQ解調器和PLL的選擇范圍廣，所以這種方法非常適合可再配置的無線電應用。

圖5 直接變頻接收架構

采用直接變頻具有潛在的空間優勢。在分集中頻采樣接收機和分集零中頻接收機的布局中值得注意的是，空間使用率與外部無源組件密切相關，與其他方面的關系則不大。中頻采樣接收機具有一個長而窄的結構，這是因為它需要兩個濾波器級，一個是SAW濾波器，另一個是ADC之前的抗混疊濾波器。因此，零中頻接收機只需一個濾波器，而中頻采樣接收機則需要兩個濾波器。

從性能和功耗兩方面比較這兩種架構，在ADIsimRF中，對一個典型中頻采樣接收機所做的信號鏈分析，在此增益設置下，輸入IP3和噪聲系數分別為27.8 dBm和4.7 dB，功耗為2.2 W。

如果在ADIsimRF中仿真一個等效的零中頻接收機，輸入IP3大致相同，但噪聲系數為2.1 dB，相對較低。這主要是因為零中頻架構中不存在高損耗SAW濾波器。功耗為3.17 W，相對較高。可以把這歸因于需要兩個ADC和兩個基帶放大器來驅動它，相比之下，中頻采樣接收機中只需要一個。雖然中頻采樣ADC的功耗通常高于基帶采樣ADC，但由于需要兩個基帶ADC和兩個ADC驅動器，因此功耗優勢不復存在。

然而，這里有一個因素未被考慮，那就是中頻采樣接收機所需的數字下變頻電路的功耗。這一因素可能會使兩種方法的功耗大致相當。

若試圖去除中頻采樣接收機中的某些可集成器件。這里，有源混頻器集成了小數N分頻PLL和窄帶VCO。除了驅動混頻器以外，LO還能供外部使用。也可以由外部LO源驅動。

零中頻接收機無需IF SAW濾波器來抑制不良的帶內和帶外信號。在零中頻接收機中，消除所有不良信號的任務落在ADC之前的抗混疊濾波器肩上。ADRF6561這款器件提供50dB的可變增益，以及以1dB步進變化的1MHz~30MHz可編程濾波器帶寬，所有這些特性都在一個5mm×5mm LFCSP封裝內實現。

發射信號鏈的演變

零中頻發射機的功能框圖如圖6所示。對于500MHz~6GHz范圍的無線電頻率，使用IQ調制器直接跳變到RF已非常流行。發射端采用零中頻比接收端更普遍，接收端仍以使用IQ解調器的中頻采樣或中頻到基帶轉換為主。

本例中，發射機還包括一個回送電路，它監控功率放大器的失真，并向基帶中運行的數字預失真算法提供反饋。這種配置不是真正的零中頻，而是所謂的復中頻，DAC輸出為112 MHz。因此，可以使用單個LO來驅動IQ調制器和回送混頻器。 如果使用集成PLL和VCO的IQ調制器，可以再進一步，除了用于IQ調制器以外，還可以從芯片中引出LO信號以驅動DPD混頻器。

總結

首先，針對存在專用芯片組的常用無線標準，設計分立電路毫無疑問是不可取的。采用分立器件進行設計時，我們擁有相當大的靈活性，但要付出功耗更高的代價。使用直接變頻發射機和接收機可以節省空間，但與傳統收發器相比，功耗節省可能不大。

雙通道器件確實可以節省空間，但須確保通道間泄漏在合理范圍內。如果一個集成VCO的PLL可提供合理水平的相位噪聲，那么這將是分立RF電路設計中最能節省空間的地方之一。

問答選編

問：ADI公司的RF信號鏈解決方案具體包括哪些內容？

答：包括框架構建、各組件選型、鏈路參數設計等。

問： RF信號鏈與以往的產品差別是什么呢？

答：考慮無線收發器的設計方法時，我們必須盡早決定是否以分立方式構建電路。 要實現藍牙、Zigbee或GPS等常用無線電標準，采用分立方案意義不大。 同樣的道理，高度集成的芯片組除了它的本來的應用外，幾乎沒有其他用處。一般從空間角度考慮，高度集成的芯片組較佳，但往往靈活性不足，而且性能低于采用分立器件實現的電路。這自然引出下面的問題：是否有一個兩全其美的解決方案？也就是說，它既有一定的集成度，可以節省空間，同時能為設計人員提供適當的靈活性。

問：抗干擾問題怎么解決？在集成度較高的方案中，集成VCO的好處是什么？

答：對于集成度較高的方案而言，很多接口都是內部實現的。可以省去了外部接口電路，自然外圍電路就少了很多，集成VCO，可以讓客戶的設計省去了外圍的的VCO電路等。

問：在小芯片上實現高集成是否會導致各單元電路間的相互干擾？

答：電路干擾是肯定存在的，但是ADI的完整的芯片集成設計技術可以更好的降低干擾，使集成IC的性能可以滿足系統性能的指標要求。

問：為了節約成本和降低體積，兼容各項3G標準，有一種新的可調諧技術，ADI公司在現有的產品是否有這方面的產品？

答：ADI寬帶的PLL產品ADF4350可以支持軟件調整頻率，ADI的寬帶調制器ADL5375和DVGA ADL5240/3可以支持寬帶工作，ADI的寬帶調諧混頻器ADL5811/2 可以支持軟件調整頻率和端口匹配。

問：請問高性能RF信號鏈的主要特性有哪些？

答：主要特性為更好的動態范圍，噪聲性能和諧波及雜散的抑制特性，以及靈活的接口和應用性。目前，ADI新的產品基本采用差分信號，這樣很好的滿足了這些需求。

問：巴倫接口是指什么？

答：巴倫是BALUN的音譯，其含義是指平衡——不平衡變換器。巴倫實現的接口間轉換，及單端信號轉換為差分信號，或將差分信號轉換為單端信號。

問：本振的性能怎樣？能否滿足RF信號鏈要求？

答：是可以滿足RF信號鏈的需求的。ADF4360是集成VCO的整數N分頻鎖相環產品，ADF4350是集成VCO的寬帶小數N分頻鎖相環產品，其頻率范圍從137MHz~4.4GHz。即將推出的還有ADF4351，將擁有更好的相噪性能和更寬的頻率輸出范圍。

問：RF解決方案在PCB設計時需要注意什么？

答：主要注意傳輸線特征阻抗的匹配，接地，電源去耦等因素。

問：在RF設計中，EMI方面主要考慮的是什么？

答： EMI設計是復雜系統問題，主要是良好接地和屏蔽，在本內傳輸信號盡量功率小，例如我們現在的調制器和混頻器的本振需求功率很小，就可以使得本振傳輸功率變小，EMI風險就會降低等。

問：集成的RF IC運用于無線基站設備產品的距離受哪些因素影響？

答：對于無線信號傳輸距離，主要受到發射機發射功率、接收機接收靈敏度、射頻工作頻段、調制方式、編解碼方式等因素影響。

問：ADI高性能RF信號鏈對電源有特殊要求嗎？

答：射頻器件大都屬于敏感器件，因此為了擁有更好的性能，建議使用電源紋波小的電源，并注意電源去耦。在大功率器件使用中，要注意電源的驅動能力。

問：RF系統設計中如何綜合考慮ADC動態范圍、噪聲等因素？

答： ADI的網站上提供了一些列ADC設計指導的文檔，可計算出ADC等效的噪聲系數和IIP3特性，從而可以結合信號鏈一起進行計算。ADC的動態一般我們器件手冊上都會有標注，系統的動態一般等于ADC的動態加上前面AGC的動態，這是系統選擇AGC和ADC的一個依據。

問：ADI的RF方案在節能方面有什么優勢？

答：ADI產品在保證性能的前提下，保證了較低的功耗，且器件大都具有Power-Down功能，以保證更低的功耗。

問：請問注入鎖定是什么？

答：注入鎖定是一種加快鎖定的方式，就是在PLL負反饋穩定前，采用人為加一個電壓使得VCO的頻率預先到一個頻率，這樣就使得鎖定時間更短。