为蜂窝基站配置数字接收机

鲁维德

摘要：本文主要介绍蜂窝基站数字接收机配置与设计思想,并从动态特性着手分析数字接收结构中新型高速ADC与集成混频器应用特征。

1、 配置与设计思想

1.1关于蜂窝基站数字接收机的基本结构

当今,多载波射频架构、蜂窝基站收发器和高性能测试设备已获得广泛应用,而蜂窝基站收发器(BTS)又是现代通信领域的被看好的项目。

众所周知,蜂窝基站收发器(BTS)是由多个不同的硬件模块组成，其中之一就是完成RF接收(Rx)及发送(Tx)功能的收发器(TRx)模块。在老式模拟AMPS(高级移动电系统)及TACS(全入网通信系统) BTS中，一个TRx处理一路双工Rx和Tx RF(射频)载波。若要实现要求的呼叫覆盖率就需要很多个收发器才能提供足够的载波。

如今在全球范围内，模拟技术已被CDMA和W-CDMA所取代，许多国家在10年前就采用了GSM。在CDMA中，多个通话用户使用同一个RF频率，这样一个收发器就可同时处理多个通话用户的信号。截至目前已有多种CDMA和GSM的设计方案，BTS制造商也一直致力于探索可降低成本和功耗的方法，即对单载波解决方案进行优化或开发多载波接收机为行之有效的方案。而接收机的基本格式是超外差接收机,见图1(a)所示,其IF为中频频率,fIN输入接收, f1为本振频率,则IF=|fIN±f1|。而超外差有二种形式,即常用的是下变频式(见图1b为单级下变频式)和上变频式。而如今BTS设备常用的是欠采样数字接收机的结构框图,见图2所示,它属于两级下变频式变换架构。

1.2 足够的动态范围是数字接收机的设计思想

大多数字接收机对其采用的高性能模-数转换器(ADC)及模拟器件的要求都较高。例如，蜂窝基站数字接收机要求有足够的动态范围，以处理较大的干扰(或阻塞)，从而把电平较低的有用信号解调出来。应用Maxim公司的15位65Msps模数转换器MAXl418或12位65Msps模数转换器 MAXl211配以2GHz的MAX9993或900MHz的MAX9982集成混频器，即可为接收杌的两级关键电路提供出色的动态特性；而中频(IF) 数字可调增益放大器(DVGA)MAX2027和MAX2055能够在许多系统中提供较高的三阶输出截点(OIP3)，并满足系统所需要的增益凋节范围。有上述的应用解决了数字接收机的设计思想。

1.3构成的技术要求

由于MAX9993(2GHz)和MAX9982(900MHz) 集成混频器可为许多设计提供所需的增益和线性度，而且具有极低的噪声，可替代那些损耗较高的无源混频器。MAX2027和MAX2055工作在接收机的第一、二中频级。在整个增益调节范围内，MAX2027提供+35dBm的OIP3，MAX2055提供+40dBm的OIP3。在图2电路中数据转换器采用的是MAXl418(15位、65Msps)和MAX12553(14/12位、95Msps)，此外Maxim的数据转换器产品还有其它采样速率的器件，可满足大多数设计要求。应该说该图2就是为两个分集支路之一是一个典型的两级下行变换架构。若将图2中的第二下变频器省去(虚线中所示)，那么图2所示电路就变成了单级下变频结构。

2.低噪声与最佳的动态范围的ADC的使用

图2所示的欠采样数字接收机结构对ADC的噪声和失真有着严格的要求,它是影响数字接收机性能的重要因素,为此应使用低噪声ADC 器件,这是为什么？

其因是,在接收机中，电平较低的有用信号单独被数字化或同时伴随有无用的、需要倍加关注的大幅度信号。因此要想使接收机正常工作，ADC的有效噪声系数要按这两种信号的极端情况来计算。对于小的模拟输入信号，ADC的噪声基底中占支配地位的是热噪声和量化噪声，决定了ADC的有效噪声系数(NF)。

实际上，小信号条件下的ADC有效噪声系数一经确定，模拟电路(RF或IF)的级联噪声系数也就随之确定。ADC前级电路的最小功率增益应满足接收电路的噪声系数要求。这个功率增益确定了接收器能够容忍，不会使ADC过载最高干扰电平上限。在BTS中，如果不采用自动增益控制(AGC)，ADC的动态范围一般无法同时满足电路噪声系数(接收机灵敏度)和最大干扰两方面的要求。AGC电路可以放在RF级或IF级电路中，也可在两级电路中同时包含AGC电路。那ADC采用MAXl418又有什么优越的动态性能呢？

由于15位、80MSpS ADC MAXl418系列是具有更低的背景噪声专为IF或基带采样优选的高速ADC系列. MAXl418系列的其它产品最适合于flNPUT

正因为MAXl418／MAXl419／MAXl427是专为那些要求高动态性能和优越的杂散特性的应用而设计,所以它广泛适用于多载波射频架构、蜂窝基站收发器和高性能测试设备等之中。

为了适应这些应用的要求，那MAXl419/MAXl427ADC系列是如何为基带采样或IF采样作优化呢？即就是能在5MHz输入频率下，这些产品具有业界领先的-79.3dBFS的背景噪声和76.5dB的信号-噪声比(SNR)。这些产品中包括MAXl419(优化于65Msps时钟速率)和 MAXl427(优化于80Msps时钟速率)，在相同输入频率下，无杂散动态范围(SFDR)更是达到了94.5dBc。况且可提供引脚兼容的 65/80Msps多种版本,故特别适合于单/多载波接收器和蜂窝基站收发器。

3、MAX12553能理想的用于基站接收器并成为一次下变频级的接收器结构

MAXl2553 14/12位ADC专为IF采样应用而优化，具有更低的功耗和高动态性能(见图3(a)的fIN-SNR动态特性曲线图)，适合于通信接收机、医疗成像、仪表和数据采集等,例如，在175MHz的输入频率下，MAXl2554可提供70.5dB的SNR，同时仅消耗429mW的功率。这些ADC能够用于高速400MHz的直接中频采样，省去下变频级，既简化系统设计又降低了成本。另外还可提供引脚兼容的12位器件，增加设计的灵活性。所以为用 MAX12553 ADC能理想的用于基站接收器,见图3(b)所示。

由于在较高的IF段能够获得足够的SNR和SFDR指标，则MAXl2553 14/12位ADC可代替MAXl418ADC而用于图2的欠采样电路,即为一次下变频接收器结构。较之两次变频结构，一次变换器具有明显的优势。由于省去第二级下变频混频器、第二级中频增益电路以及第二级LO(低功耗)合成器，元件数量及电路板空间可减少约10％。

当然，除此以外也采用12位、65Msps MAXl211 ADC系列产品作为一次变频接收结构的ADC，因为它具有包括：差分或单端时钟输入；20％到80％的时钟占空比；简化时钟和数据定时的数据有效指示器；以及二的补码或格雷码量化输出数据格式等先进特性；全部采用小型40引脚QFN(6mm× 6mm× 0.8mm)封装。

4、IF放大器(MAX2027和MAX2055)

Maxim 公司也提供每级增量为ldB的数控增益、高性能IF放大器。MAX2027就是一种数控增益放大器(DVGA)，采用单端输入/单端输出方式，可工作在 50MHz至400MHz频率范围内。这个DVGA最大增益时的噪声系数只有5dB。MAX2055则是单端输入／差分输出的DVGA，可在30MHz至 300MHz频率范围内驱动高性能ADC。在MAX2055的差分输出和ADC差分输入之间可以采用一个升压变压器，差分方式驱动变压器有利于优化变压器性能和输出信号间的平衡度。这两个DVGA工作在5V偏置，整个增益调整范围内MAX2027提供+35dBm的三阶输出截点(OIP3)， MAX2055提供+40dBm的三阶输出截点(OIP3)。

5、高线性混频器(MAX9992/MAX9983) 和MAX2387微型集成混频器

在接收电路中，混频器往往承受对性能要求更加严格的较大的输入信号。理想状态下，混频器输出信号的幅值和相位与输入信号的幅值和相位成正比，而且与LO信号的特性无关。根据这一假设，混频器的幅度响应与RF输人呈线性关系，且与LO输入信号无关。

然而，混频器的非线性会产生一些不希望的产物，称之为杂散响应，这些杂散信号是由到达混频器RF端口的无用信号产生的，产生的响应信号位于IF频率。当它们与有用的IF频率相干扰时，混频机制可由下式说明：

fIF=±m fRF±nfLO

这里，IF、RF和LO分别是各自端口的信号频率，m和n是将RF和LO信号混频后的谐波阶数。

集成(或有源)平衡混频器，例如MAX9992和MAX9983，由于其性能优于无源混频方案而备受关注。当m或n为偶数时，平衡混频器能够抑制一定的杂散响应，实现优异的二次谐波性能。理想的双平衡混频器可以抑制m或n(或两者)为偶数的所有响应。在双平衡混频器中，IF、RF和LO端口之间都是相互隔离的。采用设计合理的非平衡变压器，混频器可以在IF、RF和LO频带交迭。值此选择两种型号作为数字接收机的混频器,即高线性混频器 (MAX9992/MAX9983)和MAX2387微型集成混频器。

5.1 MAX9993和MAX9982特点

其特点包括：有增益，低噪声系数，内含LO缓冲器，低LO驱动，允许两路LO输入的LO开关，极好的LO噪声特性等，此外，在RF和LO端口还集成有RF平衡变换器。

5.2 MAX2387微型集成混频器

MAX2387/MAX2388/MAX2389 专为新兴的ARIB(日本)和ETSI-UMTS(欧洲)等宽带CDMA(WCDMA)市场设计。这些硅锗器件集成了一个双增益低噪声放大器(LNA)和一个低电流、超低噪声混频器，均优化工作于2110MHz至2170MHz。它们仅从2.7V 至3.3V的电源吸取很低的功率。这些器件具有较高的增益和输入三阶截止点(1P3)，使系统很容易达到噪声和抗干扰指标，其中的可调节增益INA增加了系统的动态范围，而且非常节省电源电流。

MAX2387MAX2388／MAX2389支持所有的常用中频(190MHz至380MH2)。它们采用新型12引脚QFN封装，尺寸仅有3mmx3mm，节省宝贵的线路板空间。

应该说,Maxim的这些混频器内都嵌有LO噪声性能极好的LO缓冲器，降低了对输入LO的驱动功率要求。通常LO噪声与电平较高的输入阻塞信号相混合会降低接收灵敏度。

MAX9992 和MAX9983内含低噪声LO缓冲器，可在出现阻塞时减轻对接收灵敏度的影响。例如，假设VCO输人信号的边带噪声是-145dBc／Hz。 MAX9993的LO噪声特性的典型值是-164dBc／Hz，这样复合边带噪声就只下降了0.05dBc／Hz到-144.95dBc／Hz。采用这种方法,用户只需要为混频器提供一个电平较低的LO信号。用户还能确保接收机的混频特性不会因MAX9993内置LO缓冲器而性能降低。

6、结语

从上已经看到，MAXl418 15位ADC MAX12553系列14/12位ADC具有极佳的噪声性能，因而降低了对接收机增益的要求。这样，它可以承受更高的干扰电平，用最小的AGC。ADC MAX12553系列14/12位ADC 与MAXl211 ADC系列产品适合于一次变频接收结构，其第一IF输入频率可400MHz。另外，MAX9992和MAX9983 RF混频器与MAX2387微型集成混频器。可提供满意的线性度，以及低噪声系数和足够的功率增益，可在许多今天的接收机设计中省去无源混频器。在整个增益调整范围内MAX2027提供将近+35dBmOIP3，MAX2055提供大约+40dBm的OIP3。包含这些元件的接收机能够以极具成本效益的方案，赢得高水平的性能。