摘要：  在满足宏蜂窝基站性能要求的前提下，集成度究竟能够达到多高?工艺技术仍限定了某些重要的功能部件必须采用特殊工艺来制造：在射频(RF)领域采用GaAs和SiGe工艺，高速ADC采用细线CMOS工艺，而高品质因数(High-Q)滤波器则无法用半导体材料很好地实现。此外，市场还需要更高的密度。

关键字：  工艺技术，  系统级封装，  IF采样接收器

在满足宏蜂窝基站性能要求的前提下，集成度究竟能够达到多高?工艺技术仍限定了某些重要的功能部件必须采用特殊工艺来制造：在射频(RF)领域采用GaAs和SiGe工艺，高速ADC采用细线CMOS工艺，而高品质因数(High-Q)滤波器则无法用半导体材料很好地实现。此外，市场还需要更高的密度。

考虑到上述问题，我们决定用系统级封装(SiP)技术来开发约占1/2平方英寸(刚好大于3cm2)大小的接收器。接收器的边界处有50Ω RF输入、50Ω LO输入、ADC时钟输入及数字ADC输出。该边界留待增加LNA和RF滤波，用于输入、LO和时钟发生，以及数字输出的数字处理。在15mm×22mm封装内是采用SiGe高频组件、分立无源滤波和细线CMOS ADC的信号链路。

以下是对两个微型模块(μModule)产品进行的设计分析：一个是直接转换接收器LTM9004，另一个是IF采样接收器LTM9005。

设计目标

设计目标是UMTS上行链路FDD系统，特别是处于工作频段I的中等覆盖范围基站(详见3GPP TS25.104 V7.4.0规范)。对接收器而言，灵敏度是一个主要的考虑因素，输入信噪比(SNR)为-19.8dB/5MHz时，要求灵敏度≤-111dBm。这意味着接收器输入端的有效本底噪声必须≤-158.2dBm/Hz。

设计分析：零IF或直接转换接收器

LTM9004是一款采用了I/Q解调器、基带放大器和双通道14位125Msps ADC的直接转换接收器(如图1所示)。LTM9004-AC低通滤波器在9.42MHz处有一个0.2dB的转角，从而允许4个WCDMA载波。LTM9004可与RF前端一起使用，构成一个完整的UMTS频带上行链路接收机。RF前端由一个双工器以及一个或多个低噪声放大器(LNA)及陶瓷带通滤波器组成。为最大限度地降低增益和相位失衡，基带链路采用了固定增益拓扑结构。因此，在LTM9004之前需要一个RF可变增益放大器(VGA)。此类前端的典型性能为：Rx频率范围：1920至1980MHz;RF增益：最大值为15dB;自动增益控制(AGC)范围：20dB;噪声指数：1.6dB;IIP2：+50dBm;IIP3：0dBm;P1dB：-9.5dBm;20MHz时的抑制：2dB;Tx频带上的抑制：96dB。

图1：在LTM9004微型模块接收器中实现的直接转换架构。

考虑到RF前端的有效噪声影响，LTM9004引起的最大可允许噪声必须为-142.2dBm/Hz。LTM9004的典型输入噪声为-148.3dBm/Hz，由此计算出的系统灵敏度为-116.7dBm。

通常这类接收器可受益于ADC之后的某些数字化信号的DSP滤波。在这种情况下，假设DSP滤波器是一款具有α=0.22的64抽头RRC低通滤波器。为了在出现同信道干扰信号的情况下工作，接收器在最大灵敏度下必须拥有足够的动态范围。UMTS规范要求最大同信道干扰为-73dBm。请注意，对一个具有10dB峰值因数的已调制信号而言，在LTM9004的IF通带内，-1dBFS的输入电平为-15.1dBm。在LTM9004输入端，这相当于-53dBm，或-42.6dBFS的数字化信号电平。

RF自动增益控制(AGC)设定为最小增益时，接收器必须能从手机中解调出预计所需的最大信号。这种要求最终将LTM9004必须提供的最大信号的大小设定在-1dBFS或其以下。规范中规定的最小路径损耗为53dB，且假定手机的平均功率为+28dBm。那么在接收器输入端，最大信号电平就是-25dBm。这等效于-14.6dBFS的峰值。

UMTS系统规范中详细说明了几种阻断信号。在存在此类信号的情况下只允许进行规定大小的减敏;灵敏度指标为-115dBm。其中的第一种是一个相距5MHz的相邻信道，其电平为-42dB。数字化信号电平的峰值为-11.6dBFS。DSP后处理将增加51dB抑制，因此，这个信号在接收器输入端相当于一个-93dBm的干扰信号。最终的灵敏度为-112.8dBm。

接收器还必须与一个相隔≥10MHz的-35dBm干扰信道竞争。微型模块接收器的IF抑制将使这个干扰信道衰减至相当于峰值为-6.6dBFS的数字化信号电平。经过DSP后处理，该干扰信道在接收器的输入相当于-89.5dBm，最终的灵敏度为-109.2dBm。

还必须考虑到带外阻断信号，但这些带外阻断信号的电平与已经讨论过的带内阻断信号相同。

在所有这些场合中，LTM9004的-1dBFS典型输入电平均远高于最大预期信号电平。请注意，已调信道的峰值因数将大约在10至12dB，因此，在LTM9004的输出端上，其中最大的一个将达到约-6.5dBFS的峰值功率。

最大的阻断信号是-15dBm连续波(CW)音调(超过接收频段边缘≥20MHz)。RF前端将对这个音调提供37dB抑制，因此，它出现在LTM9004的输入端时将为-32dBm。此时，这种电平值的信号仍然不允许降低基带微型模块接收器的灵敏度。等效的数字化电平峰值仅为-41.6dBFS，因此对灵敏度没有影响。

另一个干扰信号功率源来自发送器的泄漏。因为这是一个FDD应用，所以此处描述的接收器将与一个同时工作的发送器耦合。该发送器的输出电平假定为≤+38dBm，同时发送至接收的隔离为95dB。那么，在LTM9004输入端出现的泄漏为-31.5dBm，相对于接收信号的偏移至少为130MHz。等效的数字化电平峰值仅为-76.6dBFS，因此不会降低灵敏度。

直接转换架构的一个挑战是二阶线性度。二阶线性度不理想将允许任何期望的或不期望的信号进入，这将引起基带的DC偏移或伪随机噪声。如果这种伪随机噪声接近接收器的噪声电平，那么上面详细讨论过的那些阻断信号将降低灵敏度。在这些阻断信号存在的各种情况下，系统规范都允许灵敏度降低。按照系统规范的规定，-35dBm阻断通道可以使灵敏度降至-105dBm。如我们在上面看到的那样，这种阻断信号在接收器输入端构成了一个-15dBm的干扰信号。LTM9004输入端产生的二阶失真大约比热噪声低16dB，结果，预测的灵敏度为-116.6dBm。

-15dBm的CW阻断信号还将导致二阶分量，在这种情况下该分量是一个DC偏移。DC偏移是不期望的，因为它减小了A/D转换器能够处理的最大信号。一种减轻DC偏移影响的可靠方法是，确保基带微型模块接收器的二阶线性度足够高。在ADC输入端，由于这一信号产生的预测的DC偏移<1mV。

请注意，发送器泄漏不包括在系统规范中。因此，因这一信号产生的灵敏度下降必须保持到最小。发送器的输出电平假定为≤+38dBm，与此同时，发送到接收的隔离为95dB。LTM9004中产生的二阶失真导致的灵敏度损失将<0.1dB。

在规范中对于三阶线性度仅有一个要求。即在两个干扰信号存在的情况下，灵敏度不得降至低于-115dBm。这两个干扰信号是一个CW音调和一个WCDMA信道，它们的大小均为-48dBm。这些干扰信号均以-28dBm的大小出现在LTM9004的输入端。它们的频率与期望的信道相隔10MHz和20MHz，因此，三阶互调分量将处于基带上。此时这个分量仍然以伪随机噪声形式出现，因此，这将使信噪比降低。LTM9004中产生的三阶失真约比热噪底低20dB，预计灵敏度下降值<0.1dB。

设计分析：140MHz IF采样接收器

LTM9005是一款IF采样接收器，采用了一个下变频混频器、IF放大器以及一个可变衰减器、一个表面声波(SAW)滤波器和一个14位、125Msps的ADC(如图2所示)。LTM9005-AB的SAW滤波器中心频率为140MHz，带宽为20MHz，允许4个WCDMA载波。LTM9005-AB可与一个如上所述的类似RF前端一起使用，以构成一个完整的UMTS频带上行链路接收机。在这种情况下，一个合适的前端应该有14.5dB的最大RF增益。

图2：在LTM9005微型模块接收器中实现的IF采样架构。

LTM9005-AB的典型关键性能规格为：-1dBFS信号输入：-17.8dBm;输入噪声电平：-158dBm/Hz;IIP3：+17.7dBm(IF内的两个音调)，+19dBm(IF外的两个音调);P1dB(IF通频带外)：+8.8dBm;IF通频带外的抑制：40dB。

LTM9005-AB的典型输入噪声为-158dBm/Hz。考虑到RF前端噪声，在最大RF增益时，预测的系统灵敏度为-122.2dBm。

UMTS规范要求最大同信道干扰信号为-73dBm。当接收器设定为最大增益时，到达微型模块接收器输入端的电平为-58.5dBm。请注意，已调信道的峰值因数将在10至12dB左右，因此，这个信号在微型模块接收器输入端将达到约-48.5dBm的峰值功率。这在ADC输入端相当于-31.7dBFS。

在RF AGC设定为最小增益及手机平均功率为+28dBm时，该规范中规定的最低路径损耗为53dB。那么，在接收器输入端，最大信号电平就是25dBm。这一条件限定了微型模块接收器之前可设定的最大RF增益。假定RF AGC范围为20dB，那么，在LTM9005-AB输入端的信号电平就是-30.5dBm。考虑到波峰因数，那么在微型模块接收器输入端，此信号将达到约-20.5dBm的峰值功率。这在ADC处相当于-3.7dBFS。

假定在阻断信号存在的情况下，接收器设定为最大RF增益，灵敏度规范仍然为-115dBm。请注意，一旦接收到的信号数字化了，那么其它带通滤波将利用DSP来完成。假定该操作有20dB的抑制因数。

在这些阻断信号中，第一个是电平为-52dBm的相邻信道阻断信号。该微型模块接收器的IF抑制为40dB，DSP后处理另外增加20dB。因此，在接收器输入端，此信号相当于-114.5dBm的干扰信号，数字化信号的电平为-50.7dBFS。结果，灵敏度为-122.2dBm。

该接收器还必须与相隔≥10MHz的-40dBm干扰信道相竞争。这里，RF前端仍然不提供对这个信道的抑制，但是，微型模块接收器的IF和DSP抑制将衰减该信道信号，使其在接收器输入端的等效电平为-102.5dBm。这相当于-38.7dBFS的数字化信号电平，最终得到的灵敏度为-119.8dBm。

在所有这些情况下，LTM9005-AB的-1dBFS典型输入电平都远高于最大预期的阻断信号电平。请注意，得到的灵敏度全部在规范规定的-115dBm范围以内。

带外阻断信号也必须被考虑，最大的是-15dBm的CW音调，位于接收频带边沿之外≥20MHz之处。RF前端将对这个音调提供约37dB抑制，而且，IF滤波器将另外提供40dB的衰减。考虑到DSP抑制，这个音调的电平相当于-114.5dBm。那么，得到的灵敏度为-122.2dBm，数字化信号电平为-60.7dBFS。

发送器输出电平假定为≤+38dBm，与此同时，发送到接收的隔离为95dB。考虑到IF和DSP抑制，那么，在接收器输入端的等效电平为-119.5dBm或-55.7dBFS。得到的灵敏度为-122.2dBm，这也在规范规定的-115dBm范围之内。

就三阶线性度而言，在两个干扰信号存在的情况下，灵敏度不得下降至低于-115dBm。这些干扰信号是一个CW音调和一个WCDMA信道，它们的电平都为-48dBm。这些干扰信号均以-33.5dBm的电平出现在LTM9005-AB的输入端。它们的频率与期望的信道相隔10MHz和20MHz，因此，三阶互调分量将处于IF通频带之内。此时这个分量仍然以伪随机噪声的形式出现。利用适合于通频带外音调的IIP3，预测的三阶分量出现在-131.1dBm。这比噪声电平大约低30dB，而且对灵敏度没有影响。

本文小结

LTM9004和LTM9005具有UMTS基站应用所需的高性能，而且还提供了极紧凑设计所需的小尺寸和集成度(图3)。通过利用SiP技术，微型模块接收器便能采用以最佳工艺(SiGe、CMOS)制造的组件和无源滤波器元件来实现设计。

图3：实际的演示板照片，该板最大限度地减少了所需的外部电路。