移动通信直接变换技术

移动通信直接变换技术
    新式通信系统设计的一个重要方面是小型化。减少系统元件数是一个重要因素，这有助于
构成灵活、多标准、多模工作。直接变换系统正在变得更加流行。本文所描述的设计是针对有
关多模、多功能移动通信系统工程的。
    此设计由两片集成电路（IC）构成。第一片IC是零IF（中频），含直接变换接收器和直接
电压控制振荡器（VCO）发送器所必需的主要功能，也包括本地振荡器和片上稳压器（为系统
提供供电电路）。第二片IC是一款多频合成器，它是一个N分频合成器，有特别快的销定时间，
可在蜂窝电话上实现高级数据服务，如高速电路开关转换数据（HSCSD）和GSM信息包无线电服
务（GPRS）。
    这两片IC合起来为GSM蜂窝电话实现双频或三频提供所需的主要功能。与新式转换环（或
直接VCO）调制器结合在一起的直接变换技术减少了系统所需的外部滤波。
    系统结构设计
    当今大多数数字蜂窝电话至少有一“下变换”。频率变换从所指定的标准 RF频率（如
900MHz），把所希望的信号变换到较低的IF，在此用窄信道选择滤波器（通常是表面声波滤波
器或陶瓷滤波器）执行信道选择。然后被滤波的信号下变换到第二级IF或直接到基带，在此，
数字信号处理器（DSP）对信号进行数字化和解调。
    直接变换接收器在RF设计中也有很大的影响。明显的原因是接收器变换级的成本、体积和
重量。每个变换级需要一个本地振荡器，一个锁定LO到给定频率的频率合成器，混频器，滤波
器和放大器。用直接变换省掉所有的中频级，降低了接收器成本、体积和重量。
    系统框图
    来自天线连接器所希望的信号进入发送／接收开关并到适当的通路，GSM信号为925～960
MHz，DCS信号为1.805～1.880GHz。然后，信号经过RF频带滤波器（防干扰滤波器），此滤波
器使所希望的频率通过而衰减所有频带外的频率。紧接着的元件是低噪声放大器（LNA），这
是系统增益放大的第一个元件，它有效地降低下面所有级对系统噪声的影响。LNA之后是直接
变换混频器，它把所希望的信号从射频变到基带。混频器级的输出以正交形式（I和Q信道）送
到可变增益基带放大器级。该级提供对邻信道的滤波和衰减频带内阻塞（其他的GSM信道与所
希望的信道有一定间距，一般3MHz或大于3MHz）。基带放大器对这些信号进行滤波，这样到接
收A／D变换器的信号是经滤波的。在放大器级之后，接收A／D变换器数字化所希望的信号。
    发送部分从混频I和Q输入／输出开始。正交发送信号经混频I／O到发送器。然后这些I／Q
信号被调制在大于100MHz中频载波上。调制器的输出到相频检测器（PFD），在PFD中与由外部
信道选择LO所产生的基准频率进行比较。PFD的输出是工作在100MHz以上的电荷泵，由一个环
滤波器（IMHz）滤波。环滤波器输出驱动VCO的调谐端口，VCO频率范围覆盖GSM和DCS发送频带。
    发送VCO的输出有两个通路，主通路到发送功率放大器（PA），PA把+3dBm左右的发送信号
放大到+35dBm。信号送到发送／接收开关和低通滤波器（用于衰减PA谐波）。这些功率放大器
是双频段的，具有频段开关用的CMOS控制电压。第二个通路是发送反馈混频器。反馈混频器下
变频发送信号到发送IF，并用此信号做为发送调制器用的本地振荡器信号。
    因为GSM系统是时分双工（TDD）系统，所以发送器和接收器决不能处于同一时间。这种特
殊的系统结构可使收发器IC封装节省4个引脚。
    这种类型的调制器有几个名称，星图式化的名称叫“转换环”。转换调制器采用GMSK
（Ganssian滤波最小变换键控）。
    GMSK调制是恒定包络调制。这意味着功率放大器可以饱和，使GMSK信号不失真。在GSM中，
选择方法是正交调制，它可产生精确的相位GMSK，但调制器电路（或上变换级）不完美。它可
能产生包络起伏现象，当饱和功率放大器放大时，可能导致相位迹线下降。为了避免这样的下
降，电话设计人员强使GSM PA比可能做到的更线性和效率更低，降低通话时间。
    转换调制器把直接变换VCO的优点与固有的精确正交调制结合起来。事实上，由调制器、
LO信号和VCO输出反馈混频器构成锁相环（PLL）。结果得到一个直接调制的VCO输出，这是完
美的恒定包络，有很完美的相位迹线。
    降低寄生发射
    GSM标准对频带内和频带外寄生发射有严格的要求。一个GSM蜂窝电话必须能够经受在特别
高电平（0dBm）时的阻塞，而同时又能连续正常接收。电话必须在某一电平（在GSM接收频段，
相对发送信号为-112dB）不发射寄生信号进入其他频段。
    寄生发射在发送和接收方面都会引起问题。一个不定的LO信号可能有到天线的通路和“自
闭塞”直接变换接收器，导致灵敏度降低。LO信号也可能从天线发射并降低其他接收器的性能。
    在频率设计中，选择本地振荡器的中心频率为1.35GHz左右。把LO设置在GSM和DCS频段之
间，
以便使用单一LO供GSM和DCS两者用，这样可节省元件。因为此频率远离任一频段，所以用系统
的前端滤波器能很好地滤波。这不会造成发射寄生问题。即使信号从IC的引脚到引脚直接耦合，
其功率电平也将低于GSM在天线所接收到的频带内瓦频带外阻塞的要求。
    在发送部分，寄生信号也会引起问题。尽管发送器是直接VCO调制器，但反馈混频器将在输
出产生寄生信号，此寄生信号在进入相位检测器之前必须滤掉。换句话说，这些寄生信号可能
出现在输出或由于相位检测器输入级的非线工作经过与所希望的调制信号混频仍可导致出现其
他寄生信号。这是转换环调制中的固有问题。
    芯片结构设计使构成完整的双频系统所需的外部元件数最少。特别选择频率使其用单个LO
 VCO可覆盖GSM和DCS频段，同时满足所有GSMLOVCO在3MHz补偿所必需的相位噪声指标。依据VCO
的带宽要求最低，VCO可设计最大2.7V电源电压。使整个双频系统工作在2.7V，降低功耗，并可
用NiCd、NiMH或锂离子电池供电。
    直接变换接收器结构使系统有少数“干扰”信道用于GSM所需的闭塞测试。超外差接收器必
须要对付半IF响应，由于所需的形状因数原因，很难用RF滤波器把它滤掉。然而，这些系统的
半 IF响应是450MHz，远离GSM信道所希望的99MHz。半IF分量滤波比较容易。这种设计即降低元
件数又不影响性能。
    设计特点
    本设计的关键特性是N分频合成器具有 GPRS工作所必须的锁定时间。GPRS是2000年GSM网络
的一种扩展，它将允许非常高的数据率用于GSM手机。GPRS的一个要求是LO合成器必须锁定在小
于一半GSM时隙（锁定时间小于250μs）。N分频合成器也能够锁定到比一般合成器快的时间，
因为它们工作的基准频率是高于信道间距，所以每个基准周期可跳越一个信道以上。在此，基
准频率是26MHz，为系统晶振频率的2倍（信道间距200kHz）。快速锁定时间有助于降低功耗，
靠基带部分保持较长时间的关机。
    这种简单的设计使GSM无线电技术包含在很多产品中，如简单电话或PCMCIA卡。
    前景
    无论如何，当考虑多标准电话时，直接变换的真正威力才会显示出来。随着世界开始步入
所谓第三代电话服务，部件的小型化变得更加重要。
    直接变换接收器可容纳不同带宽和数据率的多标准形式。所以，Web浏览和语音服务可以用
手机中的同一射频部分出现在GSM网络上。

摘自《电子产品世界》