高性能RFIC应对下一代射频系统设计挑战

随着移动数据业务的不断增长，以及移动电视、Web2.0、多媒体在线游戏等诸多新型应用涌现，3GPP开发出长期演进（LTE）规范,并提出了未来在20MHz带宽上达到瞬时峰值下行100Mbps以及上行50Mbps的目标。LTE的发展前景吸引了整个产业链关注，芯片厂商、设备厂商以及运营商纷纷积极响应。当前不景气的经济环境似乎并没有影响到业者的热情，据悉，目前全球有超过18家运营商宣布了LTE部署计划。“我们预计，到2013年，运营商仅在LTE基站设施方面就将投入86亿美元。”ABI Research资深分析师Nadine Manjaror表示，对于已经部署3G网络的运营商来说，接下来的5年时间里，LTE将是主要的投资驱动力。
新一代无线接入技术的发展给RF架构带来新的挑战，ADI公司射频与联网器件业务开发总裁David Boylan指出，3.5G LTE对基站和终端提出新的要求。例如：支持1.4~20MHz的可变信道带宽，实现更低的每比特成本；采用开放接口网络架构，同时限制手持设备的功耗；据首次试验结果显示，3.5G LTE下行链路数据速率效率是HSPA的三倍以上。如此的高数据速率能力要求更高带宽调制能力，对EVM和本振时钟的相位噪声提出更严格的要求。
对于LTE无线发射机架构方面的总要求，Boylan总结出以下几点：单载波LTE发射机可能与3G架构极其相似；EVM和频谱质量是关键规格；DAC的动态范围由发射的LTE(或WCDMA)载波数决定，对于高动态范围多载波设计，建议采用16位DAC；现在工业宽带IQ调制器可提供必需的动态范围：SFDR=2/3(OIP3 - NSD)≥80dB；为获得最佳EVM性能，可选择集成了VCO的宽带小数N分频合成器；为使频谱质量满足高PAR OFDM要求，必须采用高线性度放大器和驱动器放大器。
在接收机设计方面，Boylan强调：LTE接收机灵敏度级别与现有的3G设计相匹配(NF至5dB)；采用阻塞情形预测和区域部署来确定接收机动态范围、数字转换器分辨率和增益控制需求(AGC)；由于3.5G和4G接收机需要更高的解调带宽(≥20MHz)，因而需要具有出色抗强干扰能力的更具鲁棒性的设计。
新授权的频段增加了RFIC频率和性能限制,更高的数据速率和更多的频谱驱动了对宽带RFIC的需求。对于芯片厂商来说，“尽早参与是全面理解新设计要求、并确保最先推出满足要求的相关器件的关键。”ADI公司RFNC部业务开发经理Justin Littlefield表示，现有RF产品中很多都是根据下一代通信标准的要求和需求而开发的。针对新的设计需求，ADI公司已经开发出多款高性能、高集成度射频器件，覆盖整个RF信号链，帮助开发人员应对下一代射频系统设计挑战。
例如，在多模终端方面，通常要求每一个频带在发射和接收信号路径上都需要声表面波(SAW)滤波器，以消除阻塞干扰和减少从发射端到接收端信号泄漏所引起的性能降低。频带越多，需要的滤波器越多，这样就导致成本、元件数量和PCB面积都增加。为解决这个问题，ADI公司使用新的射频体系结构，将宽带发射器噪声降低到无需SAW滤波器的程度，同时提供足够高的接收器性能以容忍大的关断通道信号，从而也可省去射频信号接收端的SAW滤波器。“我们的‘Othello-3’系列收发器采用新的电路架构，省去了所有的RF SAW滤波器。” Littlefield介绍，例如AD6551“Othello-3”以及AD6552“Othello-3T”，是将发射器与接收器集成在一个芯片上，此外，还集成了VCO环路滤波器和LDO稳压器。“这些器件简化了3G无线手机射频部分的开发过程，节省了成本和PCB面积。”他补充道，接收器部分提供的EVM性能满足HSDPA技术要求，并且包括全自动直流偏置控制。
为帮助手机设计人员更有效的管理无线手机功率、延长电池寿命，并更好地处理复杂的3G和4G信号，ADI还推出业界首款单芯片、双功能RF功率检波器ADL5502，它内置一个RMS检波器和一个包络检测器，可进行复杂信号的峰值因数测量，峰值因数高达11dBm，精度为±0.1dB，比同类产品高出5倍。由于它的高集成度，电池寿命能延长20%，而且无需查找表和准确控制发射功率电平所需的校正因数，手机制造商可以降低成本及开发费用。
“一般的功率检波器往往需要进行昂贵的温度校准，或通过查找表来补偿大于1dB的温度漂移，”Boylan指出，而ADI的ADL5513对数放大器针对RF/IF功率电平测量或控制的Tx/Rx应用而设计，提供80dB的动态范围，±3dB的对数一致性，在同类对数放大器产品中，动态范围最宽。
在无线基础设施方面，ADI的RF驱动放大器ADL5321实现了功耗与性能的最佳组合，适合用于LTE、WiMAX与WiBro的2.3 GHz～4.0 GHz无线基础设施设计。同竞争射频放大器相比，ADL5321提高了信号线性度，并降低功耗。在基站、电台或卫星设备等系统中应用时，ADL5321可以节省高达4个外部无源元件，不仅降低设计复杂度，而且使RF设计人员能更迅速地向市场推出高性价比设备。
对于直接变频接收机来说，要求能在复杂的现实干扰环境下保持最佳的接收机动态范围。针对下一代蜂窝与宽带无线应用中的直接变频接收机，ADI推出正交解调器与双通道增益调整放大器——AD8366和ADL5380。其中，AD8366是首款双通道数字控制增益调整放大器，能够以最低的失真度处理最宽的信号带宽，使无线电设计中的有源元件数量减少60%，大幅节省电路板空间及材料清单成本。ADL5380解调器是首款能够工作在400MHz～6GHz的产品，“在不同频率的无线电应用中，设计人员采用相同的器件即可。”Littlefield介绍，采用ADL5380解调器，可以满足多种蜂窝和宽带无线数据系统要求，符合CDMA、W-CDMA、TD-SCDMA、PHS、LTE与WiMAX标准。