引言

利用分集接收機(jī)構(gòu)建通信系統(tǒng)會導(dǎo)致較高的器件數(shù)目,、功耗,、板級空間占用以及信號布線,。為了降低RF 組件數(shù)量,，我們可以使用正交解調(diào)器的直接轉(zhuǎn)換架構(gòu),。I/Q 的不匹配會使得構(gòu)建高性能接收器較為困難,。這種架構(gòu)要求在RF 輸入和占用大量板級空間的基帶數(shù)字輸出之間安裝一些組件,。超外差接收機(jī)只需要一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),，而正交解調(diào)器則需要一個雙通道ADC 來處理現(xiàn)實及鏡像模擬。對于單載波系統(tǒng)而言,，這種情況或許是可以接受的,，但是分集和直接轉(zhuǎn)換接收機(jī)可以有效地用于多通道系統(tǒng)嗎？這種解決方案能夠有效地適應(yīng)一個以上或兩個通道嗎,？憑借RF 和ADC 組件全新的集成度,，可以創(chuàng)建一個高效、高性能的多通道直接轉(zhuǎn)換分集接收機(jī),。

為什么選擇分集接收機(jī),？

在通信系統(tǒng)中，設(shè)置接收機(jī)規(guī)范是為了適應(yīng)小接收輸入功率,。諸如蜂窩收發(fā)器基站(BTS) 的系統(tǒng)可接收來自手機(jī)的信號,，而發(fā)射信號的手機(jī)可能處在一些極大衰減信號的環(huán)境中，例如：車庫,、多層建筑或擁擠的市區(qū),。手機(jī)發(fā)射的信號會從許多不同反射路徑多次到達(dá)BTS,。僅使用一個天線和接收機(jī)，相同信號的許多版本便會出現(xiàn)在接收天線上,，每個版本的信號都具有不同的相位和幅值,。瞬時相位關(guān)系使得信號建設(shè)性的或破壞性地增加。例如,，移動電話中,，移動發(fā)送器并未非完全固定在某一個空間位置，因此天線上的累積不斷變化,。這種現(xiàn)象被稱為快速衰落,，其會導(dǎo)致信號的漏接收。

使用分集天線可增加搜索到具有足夠接收強(qiáng)度信號的機(jī)率,，因為這種天線為物理隔離式天線,。一根天線可能正受到破壞性的干擾，而其他天線則可能不會,。這就是分集天線,。

為了對信號進(jìn)行解調(diào)，我們利用解調(diào)信號要求的最小信噪比(SNR) 構(gòu)建了通信鏈路,。分集接收機(jī)考慮到了信號在最小SNR 以上到達(dá)BTS 的最高概率,。要想構(gòu)建一個分集接收機(jī)，至少需要為每一個通道多添加一條接收路徑,。這可能會使電子產(chǎn)品和天線的成本翻一倍,。但是，如果它擴(kuò)展了BTS 的接收距離并提高了接收質(zhì)量,，那么這種成本代價還是值得的,。它可以減少所需基站的數(shù)量，從而降低整個網(wǎng)絡(luò)的基本建設(shè)成本,。

為什么選擇ZIF,？

零中頻(ZIF) 接收機(jī)可完成從射頻到基帶的直接轉(zhuǎn)換，您在超外差接收機(jī)上找不到中頻(IF),。其優(yōu)點是最小化的RF 組件數(shù)量,、更容易濾波以及更低的采樣速率。使用分集接收機(jī),，所需組件增加了一倍,，增加了組件成本、板級空間以及功耗,。ZIF 接收機(jī)所需組件更少,，降低了功耗，節(jié)省了RF 部分的板級空間。

為什么選擇集成正交接收機(jī),？

拋開一些獨立組件來構(gòu)建ZIF 接收機(jī)較為困難,，并且會占用相當(dāng)多的板級空間。信號被轉(zhuǎn)換為正交后,，在混頻器輸出和雙通道ADC 輸入之間有兩條基帶模擬路徑,，包括分立增益放大器和濾波器。沿現(xiàn)實及鏡像信號路徑分布的組件之間增益和相位的不匹配會形成帶內(nèi)噪聲,，因為理想復(fù)雜運算中去除的一些鏡像現(xiàn)在又如相關(guān)信號一樣出現(xiàn)在相同位置上,。帶內(nèi)低級鏡像降低了帶內(nèi)SNR 和誤差矢量幅度(EVM)，從而帶來通信通道的高誤碼率(BER),。

但是,，高度集成的ZIF 接收機(jī)（例如：TI 推出的TRF3710）可以最小化路徑不匹配問題。I 和Q 模擬路徑現(xiàn)在均位于同一顆芯片上,。這些路徑會得到非常好的匹配,，因為它們之間幾乎不存在工藝、溫度或電壓差異,。該器件包含了一個復(fù)雜的混頻器,、一個24dB 可編程增益放大器(PGA)、一個可編程八階低通抗混淆ADC 輸入濾波器,，以及一個直接連至雙通道ADC 的驅(qū)動放大器,。此外，它還包含了一個DC 偏移校正模塊,，對于最小化模擬輸出的DC 偏移分量極為有用,。集成所有這些必需功能后，對于用戶而言,，ZIF 架構(gòu)變得簡單。I 和Q 路徑得到了匹配,，同時保持了較好的EVM,。通過將信號鏈的大部分集成到一個小封裝中，便可以在不犧牲板級空間或性能的情況下使用分集接收路徑,。

圖1 雙通道分集ZIF 接收機(jī)

為什么選擇八通道ADC,？

就使用分集的雙通道ZIF 接收機(jī)而言，需要使用八個ADC（請參見圖1）,。如果使用了四個12 位雙通道ADC,，每條通道都有并行數(shù)據(jù)輸出，且差不多會有100 條數(shù)據(jù)線路需要布線并被連接至現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA),。此外,，還需要為ADC 安排四個時鐘。單是從封裝角度來說，四個9x9mm,、12 位雙通道ADC 就要占用320mm^2 以上的板級空間,。另外，約100 條數(shù)據(jù)線路的布線輕易就會使所需板級空間增加一倍,，同時在FPGA 上也要求相同數(shù)量的數(shù)據(jù)輸入,。很明顯，推薦使用一個八通道ADC,，那么采用單個封裝的八個ADC 的功耗和數(shù)據(jù)線路又如何呢,？

為什么選擇串行八通道ADC？

利用TI 的新型ADC（ADS5282）,，許多這些問題便可迎刃而解,。在每個通道75mW、9x9mm 封裝中,，低功耗選項僅占用81mm^2,，也即四個雙通道ADC 板級空間的四分之一。更為重要的是,，利用串行LVDS 數(shù)據(jù)接口后,，每個ADC 通道只需一個LVDS 對。增加一個LVDS 幀和位時鐘并利用20 條物理線路（10 個LVDS 對）便可以在FPGA 中對八個ADC 的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，并占用最少的板級空間,。

1/f 噪聲出現(xiàn)在基帶上，其常見于針對CMOS 低功耗而設(shè)計的ADC 中,。這就限制了基帶上（即ZIF 架構(gòu)要使用ADC 的地方）的有效SNR,。ADC 具有一個抑制基帶1/f 噪聲的可選模式（請參見圖2）。

圖2 請注意,，一旦該模式被激活, 1/f 噪聲（基帶附近）便被轉(zhuǎn)換為奈奎斯特,，

并且兩種情況下均可看到0-1MHz 的SNR

根據(jù)奈奎斯特(32.5MHz) 測得65MSPS 下ADS5282 的SNR 為70.4dBFS。如果假設(shè)噪聲底限較奈奎斯特扁平,，那么0-1MHz 頻帶中的噪聲功率則為85.5dBFS,，這主要是由于15.1dB 的處理增益：10log10 (32.5M/1M)。利用能夠過濾高達(dá)1MHz 的信號和噪聲的理想濾波器,，85.5dBFS 就為數(shù)字濾波器輸出的預(yù)期SNR,。但是，1MHz 頻帶中測得的SNR 為81.9dBFS,，因為基帶上存在1/f 噪聲,。一旦噪聲抑制模式被激活，該頻帶中測得的SNR 便提高到86.1dBFS,。1MHz 帶寬中測量值（86.1dBFS）超出預(yù)期值（70.4+15.1=85.5dBFS）的這一事實具有誤導(dǎo)性,，因為它是由一個標(biāo)準(zhǔn)奈奎斯特SNR（70.4dBFS）計算得到的，而該奈奎斯特SNR 包括了高階諧波（第九階以上），其被當(dāng)作了噪聲,。這表明,，真正的奈奎斯特SNR（所有諧波除外）實際上高于0.6dB，或為71dBFS,。

該ADC 還在每條通道內(nèi)提供了兩倍抽取功能,，以消除移頻1/f 噪聲（仍然出現(xiàn)在Fclk/2 附近），通過處理增益改善帶內(nèi)SNR,，并且降低高速串行LVDS 數(shù)據(jù)速率,。所用數(shù)字濾波器保持少量的抽頭，以達(dá)到節(jié)能的目的,。這樣,，使用抽取濾波器時處理增益為~2dB。通過使用抽取功能來降低LVDS 速率后,，可考慮使用更低成本的FPGA 選項,，同時在ADC 和FPGA 之間擁有更為輕松的時間預(yù)算。

總結(jié)

滿足蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)范要求的BTS 并不是一項全新的成果,。大多數(shù)新型BTS 設(shè)計的主要目標(biāo)都是想通過降低BTS 構(gòu)建成本或減少BTS 構(gòu)建數(shù)量來降低運營商的成本,。其中，射頻成本只是構(gòu)建蜂窩基站總成本的一部分,，因此如果它們可減少構(gòu)建基站的數(shù)量,，那么就應(yīng)該對射頻接收機(jī)設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)。通過構(gòu)建更為靈敏的射頻設(shè)備,，覆蓋相同區(qū)域所需的基站數(shù)量更少,。運用具有高度集成的ZIF 接收機(jī)和一個八通道ADC 的分集接收機(jī)使可實現(xiàn)一個更少空間占用、更低成本和更少組件數(shù)量的高性能系統(tǒng),。

參考文獻(xiàn)：

1. ADS5282 的產(chǎn)品說明書http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/ads5282.html
2. TRF3710 的產(chǎn)品說明書http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/trf3710.html
3. TI放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器選擇指導(dǎo)手冊http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ml/slyb115c/slyb115c.pdf
4. 實用應(yīng)用手冊——高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

http://focus.ti.com/lit/an/sbaa045/sbaa045.pdf

5. TI模數(shù)數(shù)字轉(zhuǎn)換器  http://focus.ti.com.cn/cn/paramsearch/docs/parametricsearch.tsp?family=analog&f amilyId=390&uiTemplateId=NODE_STRY_PGE_T