摘? 要: 介紹了用于直接下變頻(零中頻" title="零中頻">零中頻)接收機的解調芯片MAX2701的主要特點和功能,并給出了它在衛星接收機" title="衛星接收機">衛星接收機中的典型應用。

　　關鍵詞: MAX2701芯片? 直接下變頻? 衛星接收機

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　　隨著無線通信技術的迅猛發展,面向專用系統的射頻集成芯片的種類越來越多,集成度越來越高。從某種意義上講,一個完整的無線通信系統射頻模塊的構建過程,已經變成對適合芯片的選擇與使用的過程。因此,射頻系統性能的優劣很大程度上取決于所選核心集成芯片的性能。MAX2701是筆者在設計一種衛星通信接收機過程中所使用的一款美信公司用于直接下變頻接收機的射頻芯片。本文在介紹這款芯片特點的同時,將圍繞它在衛星接收機中的具體應用做詳細介紹。

1 美信MAX2701零中頻接收解調芯片

1.1 概述

　　MAX2701是一款用于零中頻結構的正交調制解調芯片,它是專為2.1GHz～2.5GHz的寬帶無線局域網系統設計的。零中頻結構接收機在系統中不存在中頻IF(Intermediate Frequency),因而避免了鏡像干擾,節省了鏡像濾波器的設計成本;同時,它免去了中頻變頻模塊和中頻帶通濾波器,大大簡化了整個接收機的設計,節約了成本,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模塊由一個單端" title="單端">單端輸入、增益可調放大器實現,它的噪聲系數在電源電壓+3V時為2.3dB;正常工作狀態下增益達16dB。

　　正交解調模塊將射頻信號直接下變頻到基帶,解調出I/Q兩路信號。信號的放大和濾波主要集中在基帶進行,對于放大器的設計和高Q值濾波器的實現都很有利。同時,中頻聲表面波濾波器SAW和中頻本振" title="本振">本振模塊的節省,大大簡化了系統的復雜性,降低了成本,縮短了開發周期。

　　解調模塊包括:兩個線性度很高的雙平衡混頻器; 一個本振可選倍頻模塊、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計在MAX2701中獨具特色,它對I/Q兩路信號分別采用了總增益80dB、可控增益達60dB的兩級增益可調放大器。第一級是一個級聯差分輸入單端輸出的寬帶放大器,它的設計目標是在高增益狀態下的低噪聲、低功耗以及高線性度;第二級也是一個多級差分輸入單端輸出的寬帶放大器。在這兩級之間通過外接的濾波器可以構成頻道選擇濾波器,從而達到抑制鄰道功率的作用。

　　I/Q增益失配矯正模塊是針對直接下變頻接收機結構的增強措施。I/Q兩路基帶信號會因為例如信道特性不同、本振信號相移誤差等諸多因素導致增益的不平衡。這將導致解調I/Q星座圖上點跡混沌、EVM值增大、誤碼率升高,嚴重影響解調性能。MAX2701的I/Q增益失配矯正模塊首先比較I/Q兩路信號在最終輸出端的幅度,其誤差信號通過一個微分反饋網絡,調節兩級放大器的增益控制電路。動態調節兩路信道的增益,從而補償了前兩級放大器增益的不平衡。此外,它對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芯片中還設計了增益可調放大器的偏移調控電路。它通過一個內置的偏置矯正反饋放大器消除增益可調放大器的直流偏移。在放大器的增益達到飽和狀態時,直流偏移會影響放大器的工作點而影響非線性性能。在偏移調控電路中的時間常數會影響芯片的上電時間,所以在對上電時間要求比較嚴格的情況下,可以通過外接交流短路電容來禁用偏移矯正功能。

　　MAX2701采用3V的低電壓供電,正常工作狀態下功率不超過0.5W,關斷狀態下功耗降低至60μW。基帶I/Q兩路信道帶寬更是達到56MHz,使它的適用范圍較為廣泛。其適用的系統包括:

　　(1)無線本地環路,無線局域網;

　　(2)寬帶直接序列擴頻系統;

　　(3)雙向MMDS;

　　(4)寬帶2.4GHz ISM頻段無線電系統;

　　(5)數字微波系統。

　　表1中列出了MAX2701的主要參數和性能指標。2 應用實例

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　　在實際項目的設計中,筆者使用MAX2701作為核心芯片,構建了一種用于衛星通信的接收機,整個接收機系統的功能模塊簡圖如圖2所示。

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　　衛星接收機是無線通信系統中一種常見的接收裝置,它最主要特點是對接收靈敏度的要求很高。在本系統設計中,低噪聲放大器采用了片外獨立的模塊,以期獲得最好的噪聲系數特性。通過對樣機的實測,系統中的LNA的噪聲系數達2.0,優于MAX2701片上LNA的噪聲特性。與此相適應,系統對本振頻率的相位噪聲、頻率穩定度等指標的要求也很高。它采用了Silicon的一款高性能的單片集成頻率合成芯片。通過實測,其本振信號的特性完全達到了系統要求。

　　此外,本系統要求高度小型化,采用以MAX2701為核心芯片的零中頻結構,能最大程度地減小接收機的體積。圖2中虛線框內的模塊就是由MAX2701實現的,由此可見,其集成度是很高的。

2.1 MAX2701芯片應用

　　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。在本項目中,舍棄了片中LNA的使用。這無疑給布線帶來了方便,同時減輕了避免射頻干擾對布線帶來的壓力,這也是為提高調試成功率所采取的措施之一。接收的射頻調制信號經過低噪聲放大器和高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,且易于引進串擾。在本系統中,射頻鏈路上的增益已經能夠滿足設計要求,對省去Balun線而引起的3dB增益損失有足夠的儲備。因此系統采用了最直接的單端饋入。

在射頻電路調試中,各級放大器、濾波器的匹配是一項很重要的工作。首先必須對LNA和MAX2701的隔離放大器輸入端進行50Ω匹配;其次,在MAX2701的基帶處理部分,它的I/Q兩路兩級4個放大器的輸出阻抗都很小,只有幾個歐姆,而輸入阻抗在2kΩ的量級上。在設計低通濾波器時,這些都必須考慮到。

　　在對本振信號的選取上,雖然MAX2701內部有一個可選的倍頻模塊,基頻本振仍然是首選。MAX2701集成倍頻模塊,主要是考慮到通過倍頻功能來降低系統本振的頻率,減輕本振設計的壓力。但是這種倍頻方案的主要缺點是MAX2701芯片內部的倍頻電路的非線性會惡化本振信號的相位噪聲,這樣相當于又對本振信號的相位噪聲提出更高的要求。同時,倍頻非線性會產生更高次諧波,使得系統的功率效率降低,為電路提供了潛在的諧振點,影響穩定性。此外,MAX2701的數據手冊上所給出的實測數據顯示,在本振信號頻率超過1.2GHz后采用本振倍頻方案的本振——射頻信號隔離度要比本振基頻方案惡化近10dB。而本系統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,對于手工調試來說,元件過小不利于頻繁更換,焊盤太小也很容易受熱脫落,造成整個電路板的損壞。在設計中,絕大部分基本元件采用了0603封裝,但是在對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。從最終調試結果來看,效果很好。

在調試過程中,發現芯片腹面有一塊1公分見方的接地散熱焊盤,它能否良好接地對芯片的正常工作影響很大。為了確保良好接地散熱,建議在這個焊盤正對的電路板上做如圖3所示的梅花通孔。在芯片焊上后,再從背面滴注焊錫,達到良好接地。實際調試結果證明,這樣的處理方法很有效。

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2.2 低通濾波器設計

　　I/Q兩路基帶信號被解調出后,必須通過各自的低通濾波器進行低通濾波。低通濾波器的帶寬由基帶調制信號的特性決定。在本系統中,對基帶接收濾波器的定義為通帶3.5MHz(-3dB),在6MHz時衰減30dB,它是由一個4階巴特沃思低通實現的。電感和電容都采用了典型常用值,并使用0805的較大封裝。基于MAX2701的布局使得I/Q兩個基帶的通道位于芯片的對邊,且引腳細密,如果直接把設計的4階低通濾波器接入第一級或第二級放大器后,板上布線將比較困難,信號線將繞行或經通孔轉到背板通行。這就有可能使系統中基帶解調信號與其它RF信號產生串擾從而使性能受到影響。為了避免這種可能性,在實現這個低通濾波器時,采用了級聯等效方法,用兩個2階低通來等效所需的4階低通濾波器。在HP Agilent＇s ADS2000中對這樣的級聯設計進行了仿真,圖4是仿真結果和實測結果。

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　　通過對樣機的測試實驗,系統的主要性能指標,例如靈敏度、噪聲系數、增益、帶寬等都達到了設計要求,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芯片。它直接給出了RF——基帶的解決方案,大大簡化了接收機的結構設計,縮短了產品開發周期,降低了成本。目前,在無線移動終端設備中得到了越來越廣泛的應用。

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　　一種用于衛星接收機的射頻前端的設計也在文中給出。主要圍繞MAX2701的應用介紹了該系統射頻模塊的設計和調試。對基帶低通濾波器的設計仿真和實測結果取得了較好的一致性,并且接收機的其它參數都達到了系統設計的指標要求。

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參考文獻

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

2 HP Agilent＇s ADS 2000 用戶手冊. 2002