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全集成CMOS GSM射頻收發(fā)器的實現(xiàn)

2010-02-08 來源:電子工程專輯 字號:

作為目前在世界上使用最為廣泛的移動通信標(biāo)準(zhǔn),自從九十年代開始在全球大規(guī)模商用以來,GSM一直展示出強大的生命力。不管是在GSM的發(fā)源地歐洲,還是在移動通信的新興市場亞洲、非洲,GSM系統(tǒng)都擁有最為成熟和完善的產(chǎn)業(yè)鏈和用戶群,涵蓋了系統(tǒng)、終端、設(shè)備、軟件、測試等等領(lǐng)域。隨著GPRS、EDGE等可以進一步豐富GSM數(shù)據(jù)應(yīng)用的技術(shù)開始應(yīng)用,在今后的相當(dāng)長的時間內(nèi),GSM憑借廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、可靠的通信質(zhì)量、低廉的資費,必將構(gòu)造和3G標(biāo)準(zhǔn)共存雙贏的格局。

手機終端作為和用戶接觸最為緊密的產(chǎn)品,其價格、性能、體積、節(jié)能是用戶在選購時的首要考慮因素。于是手機終端設(shè)計廠商在比較各種解決方案時,集成度、性能、功耗都是重要的參考因素。

手機終端中最重要的核心是射頻芯片和基帶芯片,射頻芯片負責(zé)射頻收發(fā)、頻率合成、功率放大;基帶芯片負責(zé)信號處理和協(xié)議處理。最早期的GSM終端,射頻部分都是使用雙極工藝的分立元件,需要超過70顆芯片和元器件,面積大、成本高。隨著九十年代末期CMOS射頻工藝的進步和成熟,使用和數(shù)字工藝兼容的CMOS工藝制造高性能、高集成度的射頻芯片逐步成為潮流。

RDA6205芯片基本特性

RDA6205 是由銳迪科微電子研發(fā)的收發(fā)器芯片,這是一款高性能、全集成CMOS GSM收發(fā)器芯片,封裝后芯片尺寸只有5mm×5mm。該芯片中集成了LNA、混頻器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、DSP、PLL頻率合成器和模擬基帶接口。只需少量外圍元件,就能構(gòu)成完整的射頻子系統(tǒng),并且可以通過內(nèi)置的通用模擬基帶接口和市場主流的多種基帶芯片通信。

作為一款全集成的GSM射頻收發(fā)器芯片,RDA6205有著優(yōu)異的射頻性能,其GSM頻段接收靈敏度達-108dBm,遠超過GSM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-102dBm;其發(fā)射頻譜400kHz的ACPR達到-70dBc,比同類產(chǎn)品提高了3~5dB。

RDA6205芯片同時支持數(shù)字補償晶振(DCXO),使得整個系統(tǒng)可以非常魯棒地抵御溫度變化帶來的頻率漂移,進而滿足發(fā)射接收頻偏<0.1ppm這樣苛刻的GSM標(biāo)準(zhǔn)要求。而在傳統(tǒng)方案中,用戶為了達到這個目的,不得不選擇昂貴的溫補晶振(TCXO)。

RDA6205芯片工作原理

RDA6205原理框圖如圖1所示。


圖1:RDA6205的功能模塊圖

 

當(dāng) RDA6205芯片工作在接收模式時,需要將任意強度的射頻信號變成基本恒定強度的基帶信號,然后送給基帶芯片。微弱的射頻信號,通過差分端口輸入芯片,首先進入前端的LNA,LNA在不引入太大額外噪聲的條件下,可以將輸入信號放大20dB,大大降低接收鏈路其它電路對自身噪聲的要求。隨后信號進入正交下變頻混頻器,下變頻到100kHz的近零中頻。由于在現(xiàn)實復(fù)雜的GSM空中網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,我們期望接收的信號附近往往存在著很大的干擾信號(block signal),所以經(jīng)過正交下變頻后的信號,需要通過一個中心頻率在100kHz的復(fù)數(shù)帶通濾波器,濾除帶外的干擾信號。完成濾波操作后的信號直接送到高精度高動態(tài)范圍的Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器中,被轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。

RDA6205內(nèi)置了一個功能強勁的專用DSP單元,從ADC送出的數(shù)字信號,將在這里進行數(shù)字下變頻、直流偏移消除(DC cancel)、頻率選擇濾波等功能。隨后,處理好的信號通過一個可靈活編程的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)送給基帶芯片的模擬接口。

RDA6205 的整個接收鏈路增益靈活可調(diào),最大可以提供超過100dB的增益范圍,在基帶芯片的AGC策略下,RDA6205可以在保證足夠信躁比的同時,輕松處理從 -102dBm到-15dBm各種強度的射頻輸入信號。當(dāng)RDA6205芯片工作在發(fā)射模式時,需要將基帶芯片送來的模擬基帶信號,變成射頻信號,驅(qū)動射頻前端功率放大器(PA)發(fā)射出去。

由于GSM標(biāo)準(zhǔn)采用了GMSK這樣恒定包絡(luò)調(diào)制方式,所有有用的信息都是攜帶在射頻信號的相位域上,所以RDA6205使用了先進的直接調(diào)制發(fā)射結(jié)構(gòu)(Direct Modulation)。

基帶芯片輸入的模擬基帶信號,首先被RDA6205芯片中的ADC采樣量化,然后判決出其中攜帶的相位調(diào)制信息,將此相位調(diào)制信息進行微分處理,然后通過 Δ-Σ PLL,將調(diào)制信息疊加到當(dāng)前的載波頻率值上,這樣PLL輸出的本振信號就是已經(jīng)調(diào)制過的射頻發(fā)射信號。PLL輸出的射頻調(diào)制信號通過功率放大器驅(qū)動模塊,可以直接驅(qū)動50Ω的功率放大器。

RDA6205通過采用先進的發(fā)射結(jié)構(gòu),獲得了優(yōu)異的發(fā)射頻譜指標(biāo),其在400kHz點的ACPR指標(biāo),比傳統(tǒng)方案提高了3~5dB。

RDA6205芯片應(yīng)用

如圖2所示,RDA6205可以和多種市場主流的基帶芯片配合,實現(xiàn)GSM的整體解決方案,設(shè)計出體積小巧、性能優(yōu)異、成本低廉的GSM用戶終端。

 


圖2:RDA6205典型應(yīng)用圖

得益于RDA6205的高集成度,整個終端解決方案的射頻部分,只包括射頻天線、功放開關(guān)模塊、射頻聲表面波濾波器(SAW)和少量的分產(chǎn)元件,不僅大大降低了元件成本,而且減少了射頻PCB的設(shè)計難度。

同時,相對于傳統(tǒng)的超外差方案,應(yīng)用RDA6205的GSM用戶終端,由于射頻部分的分立元件少、集成度高,從天線接收下來射頻信號,通過前端開關(guān)后,就直接進入RDA6205芯片內(nèi)部,所有的模擬信號處理過程都在芯片內(nèi)部完成,避免了PCB上的各種干擾信號對射頻電路的直接影響,大大提高了整個射頻系統(tǒng)的抗干擾性能。

而傳統(tǒng)的超外差方案,由于不得不使用中頻濾波器等外圍元件,不僅在PCB的面積上受到很大限制,而且由于比較敏感的中頻信號在片外的PCB上容易受到干擾,對PCB的設(shè)計和制造工藝都有較高的要求,容易造成量產(chǎn)中整機良率的下降。

隨著FM、DVB、MP3、MP4等等多媒體應(yīng)用在終端的進一步普及,以及用戶對終端小型化、多功能化需求的進一步上升,使用全集成RDA6205的手機應(yīng)用將在未來的市場中大放異彩。

作者:葉曉斌

項目經(jīng)理

xiaobinye@rdamicro.com

銳迪科微電子

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