如何设计一个射频收发机
在上期的文章中,我们介绍了常见的射频收发机类型和相应的应用场景。那么如何才能设计一个性能优异的射频收发机呢?
01 系统架构
射频收发机设计的第一步是确定系统性能指标,各项指标的需求将直接决定系统架构类型的选择。例如,对于接收灵敏度和抗干扰能力要求较高的卫星通信收发机,选用超外差式收发架构更为合适。该架构中包含的多级高Q值滤波器能有效抑制邻道干扰和电源噪声。再例如,对于蓝牙、对讲机、GNSS(BDS/GPS/GLONASS/Galileo)等窄带应用,选用低中频架构会比零中频更有优势,因为低中频架构能有效规避闪烁噪声的影响。
接下来本文将以零中频架构为例,介绍射频收发机的核心性能指标和设计方法。零中频架构具有体积小、功耗低、成本低、便于集成、性能优越等特性,目前占据市场主导地位,广泛应用于Wi-Fi,5G,收音机等。图1为零中频收发机的典型系统架构,它主要由接收机、发射机和频率综合器三部分构成。
图1:零中频收发机架构
02 接收机设计
对于接收机,我们需要考虑的主要性能指标是噪声系数(NF),线性度和增益调整范围。对于零中频架构,还需要考虑系统对于IQ失配和直流偏移的容忍度。
1.噪声系数(NF)
噪声系数的要求可以从系统灵敏度指标计算得到:
其中,在输入阻抗和天线50Ω匹配的条件下,20℃时热底噪为kT=-174dBm/Hz,BW为接收信号带宽,为信号解调所需的最小SNR。例如,WiFi的11a/g协议要求误码率不超过10%,在64QAM调制下,对应的为18.3dB。若信号带宽160MHz,灵敏度指标-70dBm,则要求NF<3.7dB。
需要额外注意以下两点:(1)考虑NF指标时不可只考虑接收机自身。前端的射频开关、巴伦等器件的衰减都会造成NF恶化。(2)考虑NF指标时不可只考虑小信号,邻道干扰(ACS)、阻塞等大信号的存在很可能造成NF增大。
2.线性度
衡量接收非线性特性的常见指标包括1dB增益压缩点(P1dB)和输入三阶互调截点(IIP3)。
P1dB是指接收增益下降1dB时的输入功率,可由接收机最大输入功率得到。例如:接收机最大输入功率-20dBm,信号峰均比9dB,则P1dB至少为-11dBm。
IIP3是指三阶互调功率达到与基波相等时的输入功率。三阶互调的产生有多种情况,通常分为带内IIP3和带外IIP3。前者是指产生互调的两个单音信号处于通带内,后者则指产生互调的两个单音信号处于通带外。需要注意的是,很多资料均会指出P1dB和IIP3之间存在如下关系:
但此公式通常仅适用于带内IIP3。对于带外IIP3,产生互调的两个信号会受到接收滤波器的额外抑制。
3.增益调整范围
接收机通常会根据输入信号功率进行自动增益调整(AGC),以保证ADC输入接近满量程(此时ADC达到最优SNR)。例如:ADC满量程为+10dBm,输入信号峰均比10dB,那么当输入功率从-65dBm增加到-25dBm时,接收增益需要从65dB降低到25dB。
需要注意的是,级联系统的增益等于各级增益之和(单位dB)。当系统从最大增益进行回退时,各级增益的调整策略是一个重要问题。通常优先回退后级增益能最大程度减小增益回退时NF的恶化,但同时必须保证ACS或阻塞存在时,前级不会发生饱和。
03 发射机设计
对于发射机,我们需要考虑的主要性能指标是饱和功率(Psat),线性度,输出功率调整范围,以及IQ失配和输出噪声。
1.饱和功率(Psat)
当发射机最后一级功率放大器(PA)的输入功率增大到某一数值后,再加大输入功率并不会改变输出功率的大小,此时的输出功率即为饱和功率。实际应用中,我们更为关注的通常是最大线性输出功率,即发射机输出的误差向量幅度(EVM)满足系统需求时的最大输出功率。例如:对于Wi-Fi的802.11a协议,最大线性输出功率通常比饱和功率低7~10dB。
2.线性度
在发射机的链路设计中,为了追求更好的线性度,通常遵循两个原则:(1)将尽可能高的增益分配给最后一级PA,以降低前级的输出摆幅和线性度要求。(2)尽可能减少发射链路中的放大级数。
衡量发射机线性度的常见指标包括输出三阶互调截点(OIP3)和CIM3(3rd-Order Counter Intermodulation)。前者是指三阶互调功率达到与基波相等时的输出功率,衡量的是输出级PA的线性度。后者是衡量谐波混频或基带非线性造成的互调影响,存在多种产生机制,在此不做详述。
3.输出功率调整范围
与接收机类似,当发射机的输出功率回退时,同样要注意各级增益的调整策略。如果基带输出保持在较大摆幅,能最大程度减小直流偏移的影响,从而降低本振泄露。但此时,由于需要回退PA的增益,可能会造成PA能量效率的下降。
4.IQ失配和输出噪声
之所以这两个指标放在一起介绍,是因为它们是发射机输出功率回退时影响EVM的关键指标。如图2所示,当输出功率较大时,EVM通常主要受线性度影响。而当输出功率较低时,EVM将取决于输出噪声。在以上两种情况的过度段,EVM会达到最优值,此时EVM主要受IQ失配限制。
图2:发射机EVM随输出功率变化曲线
04 频率综合器
由于具有强大的反馈跟踪能力和对于相噪的抑制作用,Type II锁相环(PLL)成为了当前广泛使用的频率综合器架构。Type II PLL也被称为电流泵PLL,主要由压控振荡器(VCO),鉴频鉴相器(PFD),电流泵(CP),环路滤波器(LPF)和多模分频器(MMD)组成(图3)。
图3:Type II PLL架构框图
1.频率计划
设计频率综合器前,首先要确定频率计划。通信协议规定了频率综合器所需覆盖的频段范围和信道带宽,而应用场景会提出需要支持的外部晶振频率范围。据此,我们将选择合适的VCO数量和MMD分频比的可调范围。
在确定VCO数量时,通常遵循以下规则:单个VCO的频率越高,所需覆盖的频率范围越大,其相位噪声也会越高。但VCO数量的增加不但会加大功耗和系统复杂度,还更容易发生振荡器相互牵引。
2.相位噪声
由于倒易混频(Reciprocal Mixing)的存在,频率综合器的相位噪声会污染接收信号。根据系统对于邻道干扰和阻塞的指标要求,可以计算出对应频偏的相位噪声或对应频段的积分相位噪声指标。
在电路设计中,除了频率综合器中各个组成模块的噪声外,环路滤波器带宽也会极大影响相位噪声。频率综合器的噪声可分为具有低通特性的环路噪声(如电流泵噪声)和VCO噪声。如果系统要求较低的高频(远端)相位噪声,可以选取较宽的环路带宽,从而更好地抑制VCO噪声,反之亦然。
以上仅是简单介绍如何将收发机系统指标转化为模块性能指标的方法。在后续的文章中,我们会继续介绍如何进一步根据模块性能指标的需求选取特定的电路架构,完成收发机设计。
参考文献:
[1]. Behzad Razavi, “RF Microelectronics”, Pearson Education, 2011.
[2]. “Electronic Circuits, Systems and Standards: The Best of EDN”, Newnes_RM, 2016.
[3]. Thomas H. Lee, “The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits”, Cambridge University Press, 2003.
- |
- +1 赞 0
- 收藏
- 评论 0
本文由Natalia转载自地芯科技公众号,原文标题为:如何设计一个射频收发机,本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系,我们将立即进行删除处理。
相关推荐
基于地芯科技风行GC080x系列射频收发机的宽带应用案例浅谈
比较常见的无人机方案,图传和飞控的射频收发链路是分开的。无人机上的图传模块只负责发射信号,手持设备上的图传模块只负责接收信号,而飞控信号的传输则是另外一套系统。针对当前无人机日趋小型化的需求,本文将以地芯科技风行GC080x系列射频收发机为例,介绍射频收发机在无人机宽带无线高清图像传输中的应用。
【经验】实际应用中Si4732收音机接收器IC提升ESD性能的PCB改版建议分享
在使用Silicon Labs的产品Si4732设计收音机的时候往忽略了平台ESD性能的加强。本文中的案例会出现在很多的设计中,现在以该设计为例来分享一下PCB设计中针对ESD性能的加强有哪些需要注意的地方。
【经验】如何优化5G、Wi-Fi 6等宽带信号误差矢量幅度EVM测量?
误差矢量幅度(EVM)测量可以帮助工程师深入洞察数字通信发射机和接收机的性能。对于数字调制信号,任何影响信号幅度和相位轨迹的信号缺陷,都会影响到EVM的测量及其结果显示。优化信号分析仪的测量设置,也是EVM测量的关键,对于5G、Wi-Fi 6等宽带信号的分析更是至关重要的。本文Keysight为你介绍优化宽带信号EVM测量的三个实践技巧。
地芯科技对照表
描述- 地芯科技射频收发机系列包括多种型号,覆盖不同频率和带宽,支持2T2R和1TIR配置,接口类型为LVDS/CMOS。产品兼容AD9361、ECR8661等。射频前端产品包括不同频率的TREM、RXFEM、TXFEM模块,兼容RFX2401C、SKY66403等。模拟信号链产品涵盖多种架构和通道,支持不同采样率和分辨率,兼容LTC2174、AD7683等。
型号- AD7689,LTC2245,GC0609,LTC2246,GC0804,LTC2247,GC0805,LTC2248,GC0802,GC0803,SKY66110,GC0801,GC0643,GC1103,GC1102,GAD2255,GC1101,GAD2254,HS8292,GAD7980,GAD2175,GAD2174,SKY85717,AD7699,ADS8323,GAD2228,RFX2401C,ECR8661,GC0631,ECR8663,GAD2267,ECR8664,ECR8665,SKY66423,GAD2264,ECR8668,GC1131,GAD2268,AD9364,AD9363,LTC2228,GAD8323,AD9361,GAD2263,AD7980,AD9365,HS8269,LTC2263,LTC2264,LTC2267,LTC2268,GC0802L,GC0669,GC1117,GC0802H,GC1125,GC1123,GC0672,GAD7689,GAD7683,GAD7283,GAD7483,LTC2175,RF3518,LTC2254,LTC2255,RF3515,OC9743,SKY66121,URPM6331,GC1109,GC1108,GC0658,GC1107,GC1106,GC1105,LTC2174,GAD2245,SKY66403,GAD2249,GAD7699,GAD2248,GAD2247,GAD2246,GAD8223,LTC2249,GAD8423,AD7683
地芯科技(GEO-CHIP)射频收发机/射频前端/模拟信号链芯片选型指南
目录- 公司介绍 三大产品线概述 射频收发机芯片产品线 射频前端芯片产品线 模拟信号链产品线
型号- GREF0512L,GREF0520L,GC0609,GC0804,GREF0540L,GC0805,GC0802,GC0803,GC0801,GC0643,GREF0530,GC1103,GAD7626,GREF0533,GC1102,GAD2255,GAD7625,GC1101,GAD2254,GAD2170,GAD7980,GAD2175,GAD2174,GREF0525L,GREF0533L,GAD2228,GC0631,GREF0520,GAD2267,GAD2264,GC1131,GREF0525,GAD2268,GAD8323,GAD2263,GREF0530L,GC0802L,GC1117,GREF0518L,GREF0550,GC0802H,GC1125,GC1123,GAD7606,GC0672,GREF0512,GAD7689,GAD7683,GREF0518,GAD7283,GAD7483,GREF10XXL,GC1109,GC1108,GC0658,GC1107,GREF0540,GC1106,GC1105,GAD2245,GAD7616,GAD2249,GAD7699,GAD2248,GRE10XXH,GAD2247,GAD2246,GAD8223,GREF0550L,GAD8423
【应用】200MHz-5GHz的国产射频收发芯片用于无人机图像传输系统收发模块,具有高调制精度、低噪声的特点
在无人机的图像传输系统收发模块中,收发芯片是不可或缺的一部分,它在整个模块中起着对信号进行收发的作用,GC0802是地芯科技新推出的一款射频收发芯片,GC0802是一款高性能、高集成度的超宽带SDR收发机,可广泛应用于几乎所有现代化数字无线通信系统。
【IC】地芯科技频率范围30MHz ~6GHz的国产5G射频收发芯片风行系列GC080X成功量产
地芯科技成功量产风行系列(GC080X)产品,广泛用于几乎所有现代化数字无线通信系统。风行系列产品能够支持的频率范围为30MHz ~6GHz,支持超宽和超窄带宽需求。拥有数十项中国及国际前沿专利技术,完整知识产权布局。
地芯风行GC080X系列芯片——微型数字直放站Transceiver方案的“完美选择”
地芯科技SDR射频收发机芯片——GC080X系列有着超宽频、超宽带的突出优势,能够覆盖30MHz至6GHz的,满足主流的4G和5G通信频段,信号带宽范围则覆盖了12KHz到100MHz,支持1T1R和2T2R,可以满足4G/5G微型数字直放站的需求。
【产品】地芯风行GC0802 SDR射频收发机芯片,具备高集成度、小封装、低功耗、超宽频、超宽等特性
地芯风行GC0802 SDR射频收发机芯片,可广泛应用于几乎所有现代化数字无线通信系统。能够支持的频率范围为200MHz到5GHz,可配置射频带宽能够支持小于12KHz到100MHz的范围。
感知世界,智赢未来,地芯科技邀您共赴2024中国国际传感器展览会
2024中国国际传感器技术与应用展览会(简称“Sensor Expo 2024”)开展在即,地芯科技将携旗下高速高精度ADC系列芯片产品亮相上海新国际博览中心。展会期间,地芯科技将展示多款ADC系列高端芯片,同期开启500M超高速Pipeline ADC客户招募活动,欢迎广大客户朋友莅临交流!
十年争议:谁是集成电路的发明人?
正如基尔比所说,集成电路是通过寻找新的应用领域而发展起来的,互联网应用的迅猛发展也对集成电路提出了更高要求。地芯科技正是处在集成电路这样密切关系国民经济和社会发展的战略性、基础性、先导性的产业。无论在哪个研究领域,无论距离远近,都有一批人在思考相同的研究问题。唯有尽早布局,方能抢占先机。
【应用】国产检波二极管TPM2860C-01用于通讯设备的收发组件,小体积封装SOD-523,结电容低
像半导体收音机,电视机以及通信设备的小信号电路中,需要利用调制传输信号,工作频率较高,本文介绍顶诺微的检波二极管TPM2860C-01应用于射频通信设备的收发组件实现对PA输出信号的功率检测,结电容低0.28pF、反向电流小。
地芯科技获评“人才创新创业示范企业”,致力于成为全球领先的高端模拟射频芯片的设计者和提供者
“建设新中心勇攀新高峰”余杭区经济高质量发展大会这一余杭区发展重要会议在未来科技城举行,地芯科技受到大会表彰,荣获“余杭区人才创新创业示范企业”。这一荣誉不仅是对地芯科技企业实力的认可,也是对地芯科技持续追求高质量创新发展的肯定。
【应用】地芯风行系列GC080X,覆盖30MHz至6GHz的通信频段,构建“差异化”的4G/5G数字微分布产品
地芯风行系列芯片GC080X有着超宽频、超宽带的突出优势,能够覆盖30MHz至6GHz的,满足主流的sub6G的4G和5G通信频段,信号带宽范围则覆盖了12K到100M,支持1T1R和2T2R,可以满足4G/5G数字微分布的需求。
电子商城
服务
支持 3Hz ~ 26.5GHz射频信号中心频率测试;9kHz ~ 3GHz频率范围内Wi-SUN、lora、zigbee、ble和Sub-G 灵敏度测量与测试,天线阻抗测量与匹配电路调试服务。支持到场/视频直播测试,资深专家全程指导。
实验室地址: 深圳/苏州 提交需求>
可定制射频隔离器/环行器(10M-40GHz),双工器/三工器(30MHz/850MHz-20GHz),滤波器(DC-20GHz),功分器,同轴负载,同轴衰减器等射频器件;可定制频率覆盖DC~110GHz,功率最高20KW。
最小起订量: 1 提交需求>
登录 | 立即注册
提交评论