移動(dòng)通信直接變換技術(shù)

移動(dòng)通信直接變換技術(shù)
    新式通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是小型化。減少系統(tǒng)元件數(shù)是一個(gè)重要因素，這有助于
構(gòu)成靈活、多標(biāo)準(zhǔn)、多模工作。直接變換系統(tǒng)正在變得更加流行。本文所描述的設(shè)計(jì)是針對(duì)有
關(guān)多模、多功能移動(dòng)通信系統(tǒng)工程的。
    此設(shè)計(jì)由兩片集成電路（IC）構(gòu)成。第一片IC是零IF（中頻），含直接變換接收器和直接
電壓控制振蕩器（VCO）發(fā)送器所必需的主要功能，也包括本地振蕩器和片上穩(wěn)壓器（為系統(tǒng)
提供供電電路）。第二片IC是一款多頻合成器，它是一個(gè)N分頻合成器，有特別快的銷定時(shí)間，
可在蜂窩電話上實(shí)現(xiàn)高級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)，如高速電路開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)（HSCSD）和GSM信息包無(wú)線電服
務(wù)（GPRS）。
    這兩片IC合起來(lái)為GSM蜂窩電話實(shí)現(xiàn)雙頻或三頻提供所需的主要功能。與新式轉(zhuǎn)換環(huán)（或
直接VCO）調(diào)制器結(jié)合在一起的直接變換技術(shù)減少了系統(tǒng)所需的外部濾波。
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    當(dāng)今大多數(shù)數(shù)字蜂窩電話至少有一“下變換”。頻率變換從所指定的標(biāo)準(zhǔn) RF頻率（如
900MHz），把所希望的信號(hào)變換到較低的IF，在此用窄信道選擇濾波器（通常是表面聲波濾波
器或陶瓷濾波器）執(zhí)行信道選擇。然后被濾波的信號(hào)下變換到第二級(jí)IF或直接到基帶，在此，
數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化和解調(diào)。
    直接變換接收器在RF設(shè)計(jì)中也有很大的影響。明顯的原因是接收器變換級(jí)的成本、體積和
重量。每個(gè)變換級(jí)需要一個(gè)本地振蕩器，一個(gè)鎖定LO到給定頻率的頻率合成器，混頻器，濾波
器和放大器。用直接變換省掉所有的中頻級(jí)，降低了接收器成本、體積和重量。
    系統(tǒng)框圖
    來(lái)自天線連接器所希望的信號(hào)進(jìn)入發(fā)送／接收開(kāi)關(guān)并到適當(dāng)?shù)耐�路，GSM信號(hào)為925～960
MHz，DCS信號(hào)為1.805～1.880GHz。然后，信號(hào)經(jīng)過(guò)RF頻帶濾波器（防干擾濾波器），此濾波
器使所希望的頻率通過(guò)而衰減所有頻帶外的頻率。緊接著的元件是低噪聲放大器（LNA），這
是系統(tǒng)增益放大的第一個(gè)元件，它有效地降低下面所有級(jí)對(duì)系統(tǒng)噪聲的影響。LNA之后是直接
變換混頻器，它把所希望的信號(hào)從射頻變到基帶�；祛l器級(jí)的輸出以正交形式（I和Q信道）送
到可變?cè)鲆婊鶐Х糯笃骷?jí)。該級(jí)提供對(duì)鄰信道的濾波和衰減頻帶內(nèi)阻塞（其他的GSM信道與所
希望的信道有一定間距，一般3MHz或大于3MHz）�；鶐Х糯笃鲗�(duì)這些信號(hào)進(jìn)行濾波，這樣到接
收A／D變換器的信號(hào)是經(jīng)濾波的。在放大器級(jí)之后，接收A／D變換器數(shù)字化所希望的信號(hào)。
    發(fā)送部分從混頻I和Q輸入／輸出開(kāi)始。正交發(fā)送信號(hào)經(jīng)混頻I／O到發(fā)送器。然后這些I／Q
信號(hào)被調(diào)制在大于100MHz中頻載波上。調(diào)制器的輸出到相頻檢測(cè)器（PFD），在PFD中與由外部
信道選擇LO所產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率進(jìn)行比較。PFD的輸出是工作在100MHz以上的電荷泵，由一個(gè)環(huán)
濾波器（IMHz）濾波。環(huán)濾波器輸出驅(qū)動(dòng)VCO的調(diào)諧端口，VCO頻率范圍覆蓋GSM和DCS發(fā)送頻帶。
    發(fā)送VCO的輸出有兩個(gè)通路，主通路到發(fā)送功率放大器（PA），PA把+3dBm左右的發(fā)送信號(hào)
放大到+35dBm。信號(hào)送到發(fā)送／接收開(kāi)關(guān)和低通濾波器（用于衰減PA諧波）。這些功率放大器
是雙頻段的，具有頻段開(kāi)關(guān)用的CMOS控制電壓。第二個(gè)通路是發(fā)送反饋混頻器。反饋混頻器下
變頻發(fā)送信號(hào)到發(fā)送IF，并用此信號(hào)做為發(fā)送調(diào)制器用的本地振蕩器信號(hào)。
    因?yàn)镚SM系統(tǒng)是時(shí)分雙工（TDD）系統(tǒng)，所以發(fā)送器和接收器決不能處于同一時(shí)間。這種特
殊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可使收發(fā)器IC封裝節(jié)省4個(gè)引腳。
    這種類型的調(diào)制器有幾個(gè)名稱，星圖式化的名稱叫“轉(zhuǎn)換環(huán)”。轉(zhuǎn)換調(diào)制器采用GMSK
（Ganssian濾波最小變換鍵控）。
    GMSK調(diào)制是恒定包絡(luò)調(diào)制。這意味著功率放大器可以飽和，使GMSK信號(hào)不失真。在GSM中，
選擇方法是正交調(diào)制，它可產(chǎn)生精確的相位GMSK，但調(diào)制器電路（或上變換級(jí)）不完美。它可
能產(chǎn)生包絡(luò)起伏現(xiàn)象，當(dāng)飽和功率放大器放大時(shí)，可能導(dǎo)致相位跡線下降。為了避免這樣的下
降，電話設(shè)計(jì)人員強(qiáng)使GSM PA比可能做到的更線性和效率更低，降低通話時(shí)間。
    轉(zhuǎn)換調(diào)制器把直接變換VCO的優(yōu)點(diǎn)與固有的精確正交調(diào)制結(jié)合起來(lái)。事實(shí)上，由調(diào)制器、
LO信號(hào)和VCO輸出反饋混頻器構(gòu)成鎖相環(huán)（PLL）。結(jié)果得到一個(gè)直接調(diào)制的VCO輸出，這是完
美的恒定包絡(luò)，有很完美的相位跡線。
    降低寄生發(fā)射
    GSM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)頻帶內(nèi)和頻帶外寄生發(fā)射有嚴(yán)格的要求。一個(gè)GSM蜂窩電話必須能夠經(jīng)受在特別
高電平（0dBm）時(shí)的阻塞，而同時(shí)又能連續(xù)正常接收。電話必須在某一電平（在GSM接收頻段，
相對(duì)發(fā)送信號(hào)為-112dB）不發(fā)射寄生信號(hào)進(jìn)入其他頻段。
    寄生發(fā)射在發(fā)送和接收方面都會(huì)引起問(wèn)題。一個(gè)不定的LO信號(hào)可能有到天線的通路和“自
閉塞”直接變換接收器，導(dǎo)致靈敏度降低。LO信號(hào)也可能從天線發(fā)射并降低其他接收器的性能。
    在頻率設(shè)計(jì)中，選擇本地振蕩器的中心頻率為1.35GHz左右。把LO設(shè)置在GSM和DCS頻段之
間，
以便使用單一LO供GSM和DCS兩者用，這樣可節(jié)省元件。因?yàn)榇祟l率遠(yuǎn)離任一頻段，所以用系統(tǒng)
的前端濾波器能很好地濾波。這不會(huì)造成發(fā)射寄生問(wèn)題。即使信號(hào)從IC的引腳到引腳直接耦合，
其功率電平也將低于GSM在天線所接收到的頻帶內(nèi)瓦頻帶外阻塞的要求。
    在發(fā)送部分，寄生信號(hào)也會(huì)引起問(wèn)題。盡管發(fā)送器是直接VCO調(diào)制器，但反饋混頻器將在輸
出產(chǎn)生寄生信號(hào)，此寄生信號(hào)在進(jìn)入相位檢測(cè)器之前必須濾掉。換句話說(shuō)，這些寄生信號(hào)可能
出現(xiàn)在輸出或由于相位檢測(cè)器輸入級(jí)的非線工作經(jīng)過(guò)與所希望的調(diào)制信號(hào)混頻仍可導(dǎo)致出現(xiàn)其
他寄生信號(hào)。這是轉(zhuǎn)換環(huán)調(diào)制中的固有問(wèn)題。
    芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使構(gòu)成完整的雙頻系統(tǒng)所需的外部元件數(shù)最少。特別選擇頻率使其用單個(gè)LO
 VCO可覆蓋GSM和DCS頻段，同時(shí)滿足所有GSMLOVCO在3MHz補(bǔ)償所必需的相位噪聲指標(biāo)。依據(jù)VCO
的帶寬要求最低，VCO可設(shè)計(jì)最大2.7V電源電壓。使整個(gè)雙頻系統(tǒng)工作在2.7V，降低功耗，并可
用NiCd、NiMH或鋰離子電池供電。
    直接變換接收器結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)有少數(shù)“干擾”信道用于GSM所需的閉塞測(cè)試。超外差接收器必
須要對(duì)付半IF響應(yīng)，由于所需的形狀因數(shù)原因，很難用RF濾波器把它濾掉。然而，這些系統(tǒng)的
半 IF響應(yīng)是450MHz，遠(yuǎn)離GSM信道所希望的99MHz。半IF分量濾波比較容易。這種設(shè)計(jì)即降低元
件數(shù)又不影響性能。
    設(shè)計(jì)特點(diǎn)
    本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵特性是N分頻合成器具有 GPRS工作所必須的鎖定時(shí)間。GPRS是2000年GSM網(wǎng)絡(luò)
的一種擴(kuò)展，它將允許非常高的數(shù)據(jù)率用于GSM手機(jī)。GPRS的一個(gè)要求是LO合成器必須鎖定在小
于一半GSM時(shí)隙（鎖定時(shí)間小于250μs）。N分頻合成器也能夠鎖定到比一般合成器快的時(shí)間，
因?yàn)樗鼈児ぷ鞯幕鶞?zhǔn)頻率是高于信道間距，所以每個(gè)基準(zhǔn)周期可跳越一個(gè)信道以上。在此，基
準(zhǔn)頻率是26MHz，為系統(tǒng)晶振頻率的2倍（信道間距200kHz）�？焖冁i定時(shí)間有助于降低功耗，
靠基帶部分保持較長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)機(jī)。
    這種簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)使GSM無(wú)線電技術(shù)包含在很多產(chǎn)品中，如簡(jiǎn)單電話或PCMCIA卡。
    前景
    無(wú)論如何，當(dāng)考慮多標(biāo)準(zhǔn)電話時(shí)，直接變換的真正威力才會(huì)顯示出來(lái)。隨著世界開(kāi)始步入
所謂第三代電話服務(wù)，部件的小型化變得更加重要。
    直接變換接收器可容納不同帶寬和數(shù)據(jù)率的多標(biāo)準(zhǔn)形式。所以，Web瀏覽和語(yǔ)音服務(wù)可以用
手機(jī)中的同一射頻部分出現(xiàn)在GSM網(wǎng)絡(luò)上。

摘自《電子產(chǎn)品世界》