某些重要的功能元件仍必須以特殊製程來製造，例如在射頻(RF)領域採用砷化鎵(GaAs)和矽鍺(SiGe)製程；高速類比數位轉換器(ADC)採用細線互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程，而高品質因數(High-Q)濾波器則無法採用半導體材料良好地實現。
考慮到上述問題，凌力爾特(Linear Technology)決定採用系統級封裝(SiP)技術來開發接腳占位約為1/2平方英吋(僅剛超過3cm2)的接收器。接收器的邊界處有50歐姆(Ω)RF輸入、50歐姆LO輸入、ADC時脈輸入及數位ADC輸出。
該邊界留待增加低雜訊放大器(LNA)和RF濾波，用於輸入、LO和時脈產生，以及數位輸出的數位處理。在15毫米(mm)×22毫米封裝內是一個採用SiGe高頻元件、分立被動濾波和細線CMOS ADC的訊號鏈路。
本文將對LTM9004微型模組(μModule)接收器(一款直接轉換接收器)進行設計分析。
設計目標是通用行動通訊系統(UMTS)上行鏈路分頻多工(FDD)系統，特別是處於工作頻段I的中等覆蓋範圍基地台(詳見3GPP TS25.104 V7.4.0規範)。
對於接收器而言，敏感度是一個主要的考慮因素，輸入訊噪比(SNR)為-19.8dB/5MHz時，所要求的敏感度≦-111dBm，這意味著接收器輸入端的有效雜訊層必須≦-158.2dBm/Hz。
設計分析：零IF或直接轉換接收器
LTM9004是一款採用I/Q解調器、基頻放大器和雙通道14位元125Msps ADC的直接轉換接收器(圖1)。LTM9004-AC低通濾波器在9.42MHz頻率下具有一個0.2dB的拐角，從而允許四個寬頻分碼多重存取(WCDMA)載波。其可與RF前端一起使用，構成一個完整的UMTS頻段上行鏈路接收機。RF前端由一個雙工器以及一個或多個低雜訊放大器和陶瓷帶通濾波器組成。
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| 圖1 在微型模組接收器中實現的直接轉換架構 |
此外，為最大限度地減低增益和相位失衡，基頻(Baseband)鏈路採用一種固定增益架構。因此，在其之前須要布設一個RF可變增益放大器(VGA)。以下為此類前端典型性能示例：
此接收器可受益於ADC之後的某些數位化訊號之數位訊號處理(DSP)濾波。在此情況下，假設DSP濾波器具有α=0.22的64抽頭RRC低通濾波器。為在出現同通道干擾訊號的情況下工作，接收器在最大靈敏度下須擁有足夠動態範圍。UMTS規範要求最大同通道干擾為-73dBm。
當RF自動增益控制設定為最小增益時，接收器必須能從手機中解調出預計所需的最大訊號。這種要求最後將上述元件必須提供的最大訊號之大小設定在-1dBFS或其以下。規範中所要求的最小路徑損耗為53dB，且假定手機的平均功率為+28dBm。那麼在接收器輸入端，最大訊號位準即為-25dBm，這等效於-14.6dBFS的峰值。
UMTS系統規範中詳細說明了幾種阻斷訊號。在存在此類訊號的情況下只允許進行規定大小的減敏(Desensitization)，靈敏度指標為-115dBm。其中的第一種是一個相距5MHz的相鄰通道，其位準為-42dBm。
另外，數位化訊號位準的峰值為-11.6dBFS。DSP後處理將增加51dB抑制，因此，這個訊號在接收器輸入端相當於一個-93dBm的干擾訊號。最終的靈敏度為-112.8dBm。
而且，接收器還必須與一個相隔≧10MHz的-35dBm干擾通道競爭。μModule接收器的IF抑制將使這個干擾通道衰減至相當於峰值為-6.6dBFS的數位化訊號位準。
經過DSP後處理，其在接收器輸入端上相當於-89.5dBm，最終的靈敏度為-109.2dBm。
另外，還必須考慮到頻外阻斷訊號，但這些頻外阻斷訊號的位準與已經討論過的頻內阻斷位準相同。
在所有這些場合中，元件的-1dBFS典型輸入位準均遠遠高於最大預期訊號位準。請注意，已調製通道的峰值因數將大約在10dB～12dB，因此，在其輸出端上，其中最大的一個將達到約6.5dBFS的峰值功率。
最大的阻斷訊號是-15dBm連續波(CW)音調(超過接收頻段邊緣≧20MHz)。RF前端將對這個音調提供37dB抑制，因此，它出現在元件的輸入端時將為-32dBm。此時，這種位準值的訊號仍然不允許降低基頻μModule接收器的靈敏度。等效的數位化位準峰值僅為-41.6dBFS，因此對靈敏度沒有影響。
另一個不想要的干擾訊號功率源來自發送器的洩漏。因為這是一種分頻多工應用，所以此處描述的接收器將與一個同時工作的發送器相耦合。該發送器的輸出位準假定為≦+38dBm，同時「發送至接收」的隔離為95dB。那麼在元件輸入端上出現的洩漏為-31.5dBm，相對於接收訊號的偏移至少為130MHz。等效的數位化位準峰值僅為-76.6dBFS，因此不會降低靈敏度。
直接轉換架構的一個挑戰是二階線性度。二階線性度不理想將允許任何期望的或不期望的訊號進入，這將引發基頻上的直流電(DC)失調或偽隨機雜訊。如果這種偽隨機雜訊接近接收器的雜訊位準，那麼上面詳細討論過的那些阻斷訊號將降低靈敏度。
在這些阻斷訊號存在的各種情況下，系統規範都允許靈敏度降低。按照系統規範的規定，-35dBm阻斷通道可以使靈敏度降至-105dBm。如文章先前所提及，這種阻斷訊號在接收器輸入端上構成一個-15dBm的干擾訊號。該微型模組接收器輸入所產生的二階失真大約比熱雜訊低16dB，結果預測的靈敏度為-116.6dBm。
-15dBm的CW阻斷訊號還將導致二階分量；在這種情況下該分量是一個DC失調。DC失調是不希望有的，因為它減小了類比數位轉換器能夠處理的最大訊號。一種減輕DC失調影響的可靠方法是，確保基頻μModule接收器的二階線性度足夠高。在ADC的輸入端，由於這一訊號所產生的預測DC失調<1毫伏特(mV)。
須注意的是，系統規範中並不包括發送器洩漏，所以此一訊號產生的靈敏度下降必須保持在最低限度。發送器的輸出位準假定為≦+38dBm，與此同時，「發送至接收」隔離為95dB。元件中產生的二階失真導致的靈敏度損失將<0.1dB。
在規範中對於三階線性度僅有一個要求。這是在存在兩個干擾訊號的情況下，靈敏度不得降至低於-115dBm。這兩個干擾訊號是一個CW音調和一個WCDMA通道，它們的大小均為-48dBm。這些干擾訊號均以-28dBm的大小出現在元件的輸入端。其頻率與期望的通道相隔10MHz和20MHz，因此三階互調分量將位於基頻上。
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| 圖2 設計一款完整接收器所需的外部電路極少 |
此時，這個分量仍然以偽隨機雜訊的形式出現，因而致使訊噪比降低。LTM9004中產生的三階失真比熱雜訊層大約低20dB，預計的靈敏度下降值<0.1dB。
如果透過採用圖2所示的評估板，LTM9004-AC將獲得優異的測試結果(圖3～4)。
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| 圖3 單音調FFT |
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| 圖4 基頻頻率回應 |
擁有UMTS基地台應用所需性能
測試裝置包括兩個用於RF和LO的羅德史瓦茲(Rohde & Schwarz)SMA 100A訊號產生器以及一個用於ADC時脈和TTE嵌入式濾波器的羅德史瓦茲SMY 01產生器。
採用5伏特(V)和3伏特電源時，LTM9004-AC的總功耗為1.83瓦(W)。其交流電(AC)性能包括72dB/9.42MHz SNR和66dB SFDR。
由此可見，LTM9004不但擁有UMTS基地台應用所需的高性能，而且還提供對於精小型設計而言絕對不可少的小尺寸和高整合度。透過運用系統級封裝技術，這款μModule接收器可採用以最佳製程(SiGe、CMOS)製作的元件及被動濾波器元件。
(本文作者Todd Nelson為凌力爾特模組開發經理， Douglas Stuetzle為資深模組設計工程師)