摘? 要: 介紹了用于直接下變頻(零中頻" title="零中頻">零中頻)接收機(jī)的解調(diào)芯片MAX2701的主要特點(diǎn)和功能,并給出了它在衛(wèi)星接收機(jī)" title="衛(wèi)星接收機(jī)">衛(wèi)星接收機(jī)中的典型應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞: MAX2701芯片? 直接下變頻? 衛(wèi)星接收機(jī)

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　　隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,面向?qū)Ｓ孟到y(tǒng)的射頻集成芯片的種類(lèi)越來(lái)越多,集成度越來(lái)越高。從某種意義上講,一個(gè)完整的無(wú)線通信系統(tǒng)射頻模塊的構(gòu)建過(guò)程,已經(jīng)變成對(duì)適合芯片的選擇與使用的過(guò)程。因此,射頻系統(tǒng)性能的優(yōu)劣很大程度上取決于所選核心集成芯片的性能。MAX2701是筆者在設(shè)計(jì)一種衛(wèi)星通信接收機(jī)過(guò)程中所使用的一款美信公司用于直接下變頻接收機(jī)的射頻芯片。本文在介紹這款芯片特點(diǎn)的同時(shí),將圍繞它在衛(wèi)星接收機(jī)中的具體應(yīng)用做詳細(xì)介紹。

1 美信MAX2701零中頻接收解調(diào)芯片

1.1 概述

　　MAX2701是一款用于零中頻結(jié)構(gòu)的正交調(diào)制解調(diào)芯片,它是專(zhuān)為2.1GHz～2.5GHz的寬帶無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。零中頻結(jié)構(gòu)接收機(jī)在系統(tǒng)中不存在中頻IF(Intermediate Frequency),因而避免了鏡像干擾,節(jié)省了鏡像濾波器的設(shè)計(jì)成本;同時(shí),它免去了中頻變頻模塊和中頻帶通濾波器,大大簡(jiǎn)化了整個(gè)接收機(jī)的設(shè)計(jì),節(jié)約了成本,易于高度集成化和小型化。

1.2 基本模塊

　　MAX2701主要由五個(gè)功能模塊組成:低噪聲放大器LNA、正交下變頻器、基帶可控增益放大器、基帶增益平衡調(diào)控電路和偏置電路。其功能模塊圖如圖1所示。

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　　低噪聲放大器LNA模塊由一個(gè)單端" title="單端">單端輸入、增益可調(diào)放大器實(shí)現(xiàn),它的噪聲系數(shù)在電源電壓+3V時(shí)為2.3dB;正常工作狀態(tài)下增益達(dá)16dB。

　　正交解調(diào)模塊將射頻信號(hào)直接下變頻到基帶,解調(diào)出I/Q兩路信號(hào)。信號(hào)的放大和濾波主要集中在基帶進(jìn)行,對(duì)于放大器的設(shè)計(jì)和高Q值濾波器的實(shí)現(xiàn)都很有利。同時(shí),中頻聲表面波濾波器SAW和中頻本振" title="本振">本振模塊的節(jié)省,大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜性,降低了成本,縮短了開(kāi)發(fā)周期。

　　解調(diào)模塊包括:兩個(gè)線性度很高的雙平衡混頻器; 一個(gè)本振可選倍頻模塊、本振正交變換模塊、基帶I/Q緩沖放大器。

基帶可控增益放大器的設(shè)計(jì)在MAX2701中獨(dú)具特色,它對(duì)I/Q兩路信號(hào)分別采用了總增益80dB、可控增益達(dá)60dB的兩級(jí)增益可調(diào)放大器。第一級(jí)是一個(gè)級(jí)聯(lián)差分輸入單端輸出的寬帶放大器,它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在高增益狀態(tài)下的低噪聲、低功耗以及高線性度;第二級(jí)也是一個(gè)多級(jí)差分輸入單端輸出的寬帶放大器。在這兩級(jí)之間通過(guò)外接的濾波器可以構(gòu)成頻道選擇濾波器,從而達(dá)到抑制鄰道功率的作用。

　　I/Q增益失配矯正模塊是針對(duì)直接下變頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)措施。I/Q兩路基帶信號(hào)會(huì)因?yàn)槔缧诺捞匦圆煌⒈菊裥盘?hào)相移誤差等諸多因素導(dǎo)致增益的不平衡。這將導(dǎo)致解調(diào)I/Q星座圖上點(diǎn)跡混沌、EVM值增大、誤碼率升高,嚴(yán)重影響解調(diào)性能。MAX2701的I/Q增益失配矯正模塊首先比較I/Q兩路信號(hào)在最終輸出端的幅度,其誤差信號(hào)通過(guò)一個(gè)微分反饋網(wǎng)絡(luò),調(diào)節(jié)兩級(jí)放大器的增益控制電路。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)兩路信道的增益,從而補(bǔ)償了前兩級(jí)放大器增益的不平衡。此外,它對(duì)兩路信道低通濾波器" title="低通濾波器">低通濾波器的插入損耗的失配同樣能夠起到平衡作用。

　　在MAX2701芯片中還設(shè)計(jì)了增益可調(diào)放大器的偏移調(diào)控電路。它通過(guò)一個(gè)內(nèi)置的偏置矯正反饋放大器消除增益可調(diào)放大器的直流偏移。在放大器的增益達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),直流偏移會(huì)影響放大器的工作點(diǎn)而影響非線性性能。在偏移調(diào)控電路中的時(shí)間常數(shù)會(huì)影響芯片的上電時(shí)間,所以在對(duì)上電時(shí)間要求比較嚴(yán)格的情況下,可以通過(guò)外接交流短路電容來(lái)禁用偏移矯正功能。

　　MAX2701采用3V的低電壓供電,正常工作狀態(tài)下功率不超過(guò)0.5W,關(guān)斷狀態(tài)下功耗降低至60μW?；鶐/Q兩路信道帶寬更是達(dá)到56MHz,使它的適用范圍較為廣泛。其適用的系統(tǒng)包括:

　　(1)無(wú)線本地環(huán)路,無(wú)線局域網(wǎng);

　　(2)寬帶直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng);

　　(3)雙向MMDS;

　　(4)寬帶2.4GHz ISM頻段無(wú)線電系統(tǒng);

　　(5)數(shù)字微波系統(tǒng)。

　　表1中列出了MAX2701的主要參數(shù)和性能指標(biāo)。2 應(yīng)用實(shí)例

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　　在實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中,筆者使用MAX2701作為核心芯片,構(gòu)建了一種用于衛(wèi)星通信的接收機(jī),整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的功能模塊簡(jiǎn)圖如圖2所示。

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　　衛(wèi)星接收機(jī)是無(wú)線通信系統(tǒng)中一種常見(jiàn)的接收裝置,它最主要特點(diǎn)是對(duì)接收靈敏度的要求很高。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,低噪聲放大器采用了片外獨(dú)立的模塊,以期獲得最好的噪聲系數(shù)特性。通過(guò)對(duì)樣機(jī)的實(shí)測(cè),系統(tǒng)中的LNA的噪聲系數(shù)達(dá)2.0,優(yōu)于MAX2701片上LNA的噪聲特性。與此相適應(yīng),系統(tǒng)對(duì)本振頻率的相位噪聲、頻率穩(wěn)定度等指標(biāo)的要求也很高。它采用了Silicon的一款高性能的單片集成頻率合成芯片。通過(guò)實(shí)測(cè),其本振信號(hào)的特性完全達(dá)到了系統(tǒng)要求。

　　此外,本系統(tǒng)要求高度小型化,采用以MAX2701為核心芯片的零中頻結(jié)構(gòu),能最大程度地減小接收機(jī)的體積。圖2中虛線框內(nèi)的模塊就是由MAX2701實(shí)現(xiàn)的,由此可見(jiàn),其集成度是很高的。

2.1 MAX2701芯片應(yīng)用

　　由于MAX2701采用了小48腳的TQFP-EP封裝,體積很小,高頻端的布線必須考慮射頻干擾。在本項(xiàng)目中,舍棄了片中LNA的使用。這無(wú)疑給布線帶來(lái)了方便,同時(shí)減輕了避免射頻干擾對(duì)布線帶來(lái)的壓力,這也是為提高調(diào)試成功率所采取的措施之一。接收的射頻調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器和高Q值帶通濾波器以后,需要作單端-平衡變換后饋入MAX2701混頻器前端buffer的平衡輸入端。如果采用Balun線,一方面增加成本,另一方面占用寶貴的版圖布線空間,且易于引進(jìn)串?dāng)_。在本系統(tǒng)中,射頻鏈路上的增益已經(jīng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求,對(duì)省去Balun線而引起的3dB增益損失有足夠的儲(chǔ)備。因此系統(tǒng)采用了最直接的單端饋入。

在射頻電路調(diào)試中,各級(jí)放大器、濾波器的匹配是一項(xiàng)很重要的工作。首先必須對(duì)LNA和MAX2701的隔離放大器輸入端進(jìn)行50Ω匹配;其次,在MAX2701的基帶處理部分,它的I/Q兩路兩級(jí)4個(gè)放大器的輸出阻抗都很小,只有幾個(gè)歐姆,而輸入阻抗在2kΩ的量級(jí)上。在設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí),這些都必須考慮到。

　　在對(duì)本振信號(hào)的選取上,雖然MAX2701內(nèi)部有一個(gè)可選的倍頻模塊,基頻本振仍然是首選。MAX2701集成倍頻模塊,主要是考慮到通過(guò)倍頻功能來(lái)降低系統(tǒng)本振的頻率,減輕本振設(shè)計(jì)的壓力。但是這種倍頻方案的主要缺點(diǎn)是MAX2701芯片內(nèi)部的倍頻電路的非線性會(huì)惡化本振信號(hào)的相位噪聲,這樣相當(dāng)于又對(duì)本振信號(hào)的相位噪聲提出更高的要求。同時(shí),倍頻非線性會(huì)產(chǎn)生更高次諧波,使得系統(tǒng)的功率效率降低,為電路提供了潛在的諧振點(diǎn),影響穩(wěn)定性。此外,MAX2701的數(shù)據(jù)手冊(cè)上所給出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,在本振信號(hào)頻率超過(guò)1.2GHz后采用本振倍頻方案的本振——射頻信號(hào)隔離度要比本振基頻方案惡化近10dB。而本系統(tǒng)的頻率恰恰就在此范圍,所以采用了基頻本振的方案。

　　為了盡量減小版圖尺寸,選用0402封裝的電感電容元件。但是,元件尺寸的減小,一方面使得高頻性能惡化,容差增大;另一方面,物理尺寸在很大程度上限制了其量值的制造。同時(shí),對(duì)于手工調(diào)試來(lái)說(shuō),元件過(guò)小不利于頻繁更換,焊盤(pán)太小也很容易受熱脫落,造成整個(gè)電路板的損壞。在設(shè)計(jì)中,絕大部分基本元件采用了0603封裝,但是在對(duì)器件高頻性能要求較高的射頻交流饋線電容,以及低通濾波器中要求有較大電感值的地方,仍舊采用0805封裝的貼片元件。從最終調(diào)試結(jié)果來(lái)看,效果很好。

在調(diào)試過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)芯片腹面有一塊1公分見(jiàn)方的接地散熱焊盤(pán),它能否良好接地對(duì)芯片的正常工作影響很大。為了確保良好接地散熱,建議在這個(gè)焊盤(pán)正對(duì)的電路板上做如圖3所示的梅花通孔。在芯片焊上后,再?gòu)谋趁娴巫⒑稿a,達(dá)到良好接地。實(shí)際調(diào)試結(jié)果證明,這樣的處理方法很有效。

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2.2 低通濾波器設(shè)計(jì)

　　I/Q兩路基帶信號(hào)被解調(diào)出后,必須通過(guò)各自的低通濾波器進(jìn)行低通濾波。低通濾波器的帶寬由基帶調(diào)制信號(hào)的特性決定。在本系統(tǒng)中,對(duì)基帶接收濾波器的定義為通帶3.5MHz(-3dB),在6MHz時(shí)衰減30dB,它是由一個(gè)4階巴特沃思低通實(shí)現(xiàn)的。電感和電容都采用了典型常用值,并使用0805的較大封裝?；贛AX2701的布局使得I/Q兩個(gè)基帶的通道位于芯片的對(duì)邊,且引腳細(xì)密,如果直接把設(shè)計(jì)的4階低通濾波器接入第一級(jí)或第二級(jí)放大器后,板上布線將比較困難,信號(hào)線將繞行或經(jīng)通孔轉(zhuǎn)到背板通行。這就有可能使系統(tǒng)中基帶解調(diào)信號(hào)與其它RF信號(hào)產(chǎn)生串?dāng)_從而使性能受到影響。為了避免這種可能性,在實(shí)現(xiàn)這個(gè)低通濾波器時(shí),采用了級(jí)聯(lián)等效方法,用兩個(gè)2階低通來(lái)等效所需的4階低通濾波器。在HP Agilent＇s ADS2000中對(duì)這樣的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真,圖4是仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果。

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　　通過(guò)對(duì)樣機(jī)的測(cè)試實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)的主要性能指標(biāo),例如靈敏度、噪聲系數(shù)、增益、帶寬等都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,如圖5所示。

美信公司MAX2701是一款工作在ISM頻段的高性能高集成的接收機(jī)芯片。它直接給出了RF——基帶的解決方案,大大簡(jiǎn)化了接收機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期,降低了成本。目前,在無(wú)線移動(dòng)終端設(shè)備中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

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　　一種用于衛(wèi)星接收機(jī)的射頻前端的設(shè)計(jì)也在文中給出。主要圍繞MAX2701的應(yīng)用介紹了該系統(tǒng)射頻模塊的設(shè)計(jì)和調(diào)試。對(duì)基帶低通濾波器的設(shè)計(jì)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果取得了較好的一致性,并且接收機(jī)的其它參數(shù)都達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。

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參考文獻(xiàn)

1 美信公司.MAX2701 Data Sheet,文檔編號(hào)19-1667,Last Revised 2000,4

2 HP Agilent＇s ADS 2000 用戶手冊(cè). 2002