作者：Doug Stuetzle and Todd Nelson

在滿足宏蜂窩基站性能要求的同時，可以實現多少集成？工藝技術仍然要求在特定工藝中實現某些關鍵功能：GaAs和SiGe最適合RF領域，用于高速ADC的細線CMOS以及半導體材料中無法很好地實現高Q值濾波器。然而，市場需要更多的密度。

考慮到這一點，我們選擇使用系統級封裝（SiP）技術來構建一個占地約半平方英寸（略高于3厘米）的接收器。2).接收器的邊界是 50 歐姆射頻輸入、50 歐姆 LO 輸入、ADC 時鐘輸入和數字 ADC 輸出。這就需要為輸入、LO和時鐘生成以及數字輸出的數字處理添加LNA和RF濾波。在15 × 22 mm封裝中，信號鏈采用SiGe高頻元件、分立式無源濾波和細線CMOS ADC。

以下文章介紹了兩種μModule產品的設計分析：實施直接變頻接收器的LTM9004和實施中頻采樣接收器的LTM9005。

設計目標

設計目標是UMTS上行鏈路FDD系統，特別是3GPP TS25.104 V7.4.0規范中詳述的I工作頻段中的中域基站。靈敏度是接收器的主要考慮因素;對于?19.8 dB/5 MHz的輸入SNR，要求為≤?111 dBm。這意味著接收器輸入端的有效本底噪聲必須≤?158.2 dBm/Hz。

設計分析—零中頻或直接變頻接收器

LTM9004 是一款直接變頻接收器，采用一個 I/Q 解調器、基帶放大器和一個雙通道 14 位、125 Msps ADC，如圖 1 所示。LTM9004-AC低通濾波器在9.42 MHz時具有0.2 dB轉折，允許使用4個WCDMA載波。LTM9004 可與一個 RF 前端配合使用，以構建一個完整的 UMTS 頻段上行鏈路接收器。RF前端通常由一個雙工器、一個或多個低噪聲放大器（LNA）和陶瓷帶通濾波器組成。為了最小化增益和相位不平衡，基帶鏈實現了固定增益拓撲;因此，在 LTM9004 之前需要一個 RF VGA。以下是此類前端的典型性能示例：

接收頻率范圍：1920 至 1980 MHz

射頻增益：最大 15 dB

AGC 范圍：20 dB

噪聲系數：1.6 dB

IIP2： +50 分貝

IIP3： 0 分貝

P1分貝： ?9.5 分貝

20 MHz 時的抑制：2 dB

發射波段抑制：96 dB

圖1.直接變頻架構在 LTM9004 μModule 接收器中實現。

考慮到該RF前端的有效噪聲貢獻，LTM9004的最大允許噪聲為?142.2 dBm/Hz。 LTM9004的典型輸入噪聲為?148.3 dBm/Hz，計算得出的系統靈敏度為?116.7 dBm。

通常，這種接收器在ADC之后享受對數字化信號進行一些DSP濾波的好處。在這種情況下，假設DSP濾波器是一個64抽頭RRC低通，alpha等于0.22。為了在存在同信道干擾信號的情況下工作，接收器必須在最大靈敏度下具有足夠的動態范圍。UMTS規范要求最大同信道干擾電平為?73 dBm。請注意，對于波峰因數為10 dB的調制信號，LTM9004中頻通帶內?1 dBFS的輸入電平為?15.1 dBm。在LTM9004輸入端，這相當于?53 dBm，或?42.6 dBFS的數字化信號電平。

將RF自動增益控制（AGC）設置為最小增益后，接收器必須能夠解調來自手機的最大預期所需信號。此要求最終設定了 LTM9004 必須容納的最大信號等于或低于 ?1 dBFS。規范中規定的最小路徑損耗為53 dB，假設手機平均功率為+28 dBm。接收器輸入端的最大信號電平為?25 dBm。這相當于?14.6 dBFS峰值。

UMTS系統規范中詳細介紹了幾個阻塞信號。在存在這些信號的情況下，僅允許指定量的脫敏;靈敏度規格為?115 dBm。第一個指定的阻塞信號是距離5 MHz的相鄰通道，電平為?42 dBm。數字化信號的電平為?11.6 dBFS峰值。DSP后處理增加了51 dB抑制，因此該信號相當于接收器輸入端的?93 dBm干擾。所得靈敏度為?112.8 dBm。

接收器還必須應對10 MHz≥?35 dBm干擾信道。μModule接收器的IF抑制會將其衰減至?6.6 dBFS峰值的等效數字化信號電平。使用DSP后處理時，接收器輸入端的噪聲為?89.5 dBm。所得靈敏度為?109.2 dBm。

還必須容納帶外阻滯劑，但這些阻斷器與已經解決的帶內阻滯劑處于同一水平。

在所有這些情況下，LTM9004 ?1 dBFS 的典型輸入電平遠高于預期的最大信號電平。請注意，調制通道的波峰因數約為10-12 dB，因此其中最大的波峰因數將在LTM9004輸出端達到約?6.5 dBFS的峰值功率。

最大的阻塞信號是超出接收帶邊沿20 MHz≥?15 dBm CW音調。RF前端將提供37 dB的該音調抑制，因此它將出現在LTM9004的輸入端，頻率為?32 dBm。同樣，此電平的信號不得使基帶μModule接收器脫敏。等效數字化電平僅為?41.6 dBFS峰值，因此對靈敏度沒有影響。

另一個不需要的信號功率來源是發射器泄漏。由于這是FDD應用，因此此處描述的接收器將與同時工作的發射器耦合。假設發射器輸出電平≤+38 dBm，發射到接收隔離度為95 dB。LTM9004輸入端出現的漏電流為?31.5 dBm，與接收信號偏移至少130 MHz。等效的數字化水平僅為?76.6 dBFS峰值，因此沒有脫敏。

直接變頻架構的一個挑戰是二階線性度。二階線性度不足將允許任何信號（無論需要或不需要）在基帶上產生直流偏移或偽隨機噪聲。如果這種偽隨機噪聲接近接收器的噪聲電平，上面詳述的阻塞信號將降低靈敏度。系統規格允許在每種情況下存在這些阻斷劑時靈敏度下降。根據系統規格，?35 dBm阻塞通道可能會將靈敏度降低至?105 dBm。如上所述，該阻塞信號在接收器輸入端構成?15 dBm的干擾電平。LTM9004輸入產生的二階失真比熱噪聲低約16 dB，由此產生的預測靈敏度為?116.6 dBm。

?15 dBm CW阻塞器也會產生二階積;在這種情況下，產品是直流偏移。直流失調是不可取的，因為它會降低A/D轉換器可以處理的最大信號。減輕直流失調影響的一種可靠方法是確保基帶μModule接收器的二階線性度足夠高。該信號引起的預測直流失調在ADC輸入端<1 mV。

請注意，系統規格中不包括發射器泄漏，因此必須將此信號引起的靈敏度下降降至最低。假設發射器輸出電平≤+38 dBm，發射到接收隔離度為95 dB。LTM9004中產生的二階失真使得靈敏度損失將<0.1 dB。

規范中對三階線性度只有一個要求。在存在兩個干擾源的情況下，靈敏度不得低于?115 dBm。規范中的干擾源是CW音和WCDMA通道，每個通道均為?48 dBm。它們將以?28 dBm出現在LTM9004輸入端。它們的頻率使得它們距離所需信道10 MHz和20 MHz，因此三階互調產物落在基帶。同樣，該產品顯示為偽隨機噪聲，因此會降低信噪比。LTM9004產生的三階失真比本底熱噪聲低約20 dB，預測的靈敏度下降<0.1 dB。

設計分析—140 MHz 中頻采樣接收器

LTM9005 是一款中頻采樣接收器，內置一個下變頻混頻器、一個帶可變衰減器的中頻放大器、一個表面聲波 （SAW） 濾波器和一個 14 位、125 Msps ADC，如圖 2 所示。LTM9005-AB SAW濾波器的中心頻率為140 MHz，帶寬為20 MHz，允許使用4個WCDMA載波。如上所述，LTM9005-AB 可與類似的 RF 前端配合使用，以構建一個完整的 UMTS 頻段上行鏈路接收器。在這種情況下，適當的前端應具有14.5 dB的最大RF增益。

圖2.在 LTM9005 μModule 接收器中實現的中頻采樣架構。

以下是 LTM9005-AB 的典型關鍵規格：

?1 dBFS 的信號輸入：?17.8 dBm

輸入噪聲電平：?158 dBm/Hz

IIP3：

中頻內 2 音：+17.7 dBm

中頻外 2 音：+19 dBm

P1分貝，中頻通帶外：+8.8 dBm

雷杰。中頻通帶外：40 dB

LTM9005-AB的典型輸入噪聲為?158 dBm/Hz。考慮到RF前端的噪聲，最大RF增益下的預測系統靈敏度為?122.2 dBm。

UMTS規范要求最大同信道干擾源為?73 dBm。將接收器設置為最大增益時，達到μModule接收器輸入的電平為?58.5 dBm。請注意，調制通道的波峰因數約為10-12 dB，因此該信號在μModule接收器輸入端將達到約?48.5 dBm的峰值功率。這相當于ADC輸入端的?31.7 dBFS。

將RF AGC設置為最小增益，手機平均功率為+28 dBm時，規范中規定的最小路徑損耗為53 dB。接收器輸入端的最大信號電平為?25 dBm。此條件設置了可以放置在μModule接收器之前的最大RF增益。假設RF AGC范圍為20 dB，則LTM9005-AB輸入端的信號電平為?30.5 dBm。考慮到波峰因數，該信號在μModule接收器輸入端將達到約?20.5 dBm的峰值功率。這相當于ADC的?3.7 dBFS。

考慮接收器設置為在存在阻塞信號時的最大RF增益。同樣，靈敏度規格為?115 dBm。請注意，一旦接收信號被數字化，將使用DSP完成額外的帶通濾波。假設此操作的抑制系數為 20 dB。

這些阻塞信號中的第一個是電平為?52 dBm的相鄰通道。μModule接收器的IF抑制為40 dB，DSP后處理再增加20 dB。因此，該信號相當于接收器輸入端?114.5 dBm的干擾源;數字化信號的電平為?50.7 dBFS。所得靈敏度為?122.2 dBm。

接收器還必須應對10 MHz≥?40 dBm干擾信道。同樣，RF前端不會抑制該通道，但μModule接收器的IF和DSP抑制會將其衰減到接收器輸入端的?102.5 dBm等效電平。這相當于數字化信號電平為?38.7 dBFS，所得靈敏度為?119.8 dBm。

在所有這些情況下，LTM9005-AB ?1 dBFS 的典型輸入電平遠高于預期的最大阻塞電平。請注意，所得靈敏度均在?115 dBm規格范圍內。

還必須容納帶外阻塞信號，其中最大的帶寬帶邊沿是?15 dBm CW音調，≥接收帶邊沿20 MHz。RF前端將提供約37 dB的該音調抑制，IF濾波器將提供另外40 dB的衰減。考慮到DSP抑制，該音調相當于?114.5 dBm。所得靈敏度為?122.2 dBm，數字化信號電平為?60.7 dBFS。

假定發射器輸出電平為≤+38 dBm，發射到接收隔離度為95 dB。接收器輸入端的等效電平（考慮IF和DSP抑制）為?119.5 dBm或?55.7 dBFS。所得靈敏度為?122.2 dBm，也在?115 dBm規格范圍內。

對于三階線性度，在存在兩個干擾源的情況下，靈敏度不得低于?115 dBm。干擾源為CW音和WCDMA通道，每個通道為?48 dBm，每個干擾源將在LTM9005-AB輸入端以?33.5 dBm的速度出現。它們的頻率使得它們與所需通道相距10 MHz和20 MHz，因此三階互調產物落在IF通帶內。在這里，該產品再次顯示為偽隨機噪聲。使用適用于通帶外音調的IIP3，預測的三階積顯示為?131.1 dBm。這比噪聲水平低約30 dB，對靈敏度沒有影響。

結論

LTM9004 和 LTM9005 具有 UMTS 基站應用所需的高性能，同時又提供了非常緊湊的設計所需的小尺寸和高集成度 （參見圖 3）。通過利用SiP技術，μModule接收器可以將采用最佳半導體工藝（SiGe、CMOS）制造的元件與無源濾波器元件組合在一起。

圖3.實際演示板照片顯示需要最少的外部電路。

審核編輯：郭婷