簡介

ADI公司最近發布了革命性的AD6523零中頻收發器和AD6524多頻段合成器。 AD6523包含直接轉換接收器和直接VCO發送器所需的主要功能，稱為Virtual-IF ?發送器。它還包括本地振蕩器發生模塊和完整的片上穩壓器，為無線電的所有有源電路供電。 AD6524是一款小數N分頻合成器，具有極快的鎖定時間，可通過蜂窩電話實現高級數據服務，如高速電路交換數據（HSCSD）和通用分組無線業務（GPRS）。

兩個IC共同提供實現GSM手機雙頻或三頻無線電所需的主要功能。直接轉換技術與轉換環路（或直接VCO）調制器的新轉折相結合，將無線電所需的外部濾波量減少到絕對最小值。

GSM標準

全球移動通信系統（GSM）于1992年由歐洲電信標準協會（ETSI）編寫標準超過五年后正式啟動。 GSM的目標是在一個數字蜂窩標準下統一歐洲通信的巴別塔。在GSM之前，歐洲實際上為每個國家保留了一個單獨的蜂窩網絡，使得在非洲大陸上進行國際漫游幾乎是不可能的。使用GSM，原始17個國家中的任何一個國家的公民都可以使用單個蜂窩手機漫游到任何其他國家。該標準是在未來擴展到數據服務和其他應用程序時編寫的，很快在全世界廣受歡迎。它現已在140多個國家被接受，有200多個網絡正在運行。

最初分配給GSM的頻段為移動發射890至915 MHz，移動接收935至960 MHz。該頻段擴展到所謂的880至915 MHz和925至960 MHz的E-GSM頻段。另一個頻率分配是為了進一步擴大GSM容量。該頻段分配給數字通信業務（DCS），為1710至1785 MHz和1805至1880 MHz。所有采用GSM的國家都使用這兩對頻段中的一對，但美國除外，其中兩個頻段已由FCC分配。 20世紀90年代中期的個人通信服務（PCS）頻率拍賣為美國-1850至1910 MHz和1930至1990年的GSM提供了一系列頻段。

今天典型的GSM手機（或方便）將具有2W輸出功率，并且需要接收低至-102dBm（小于1/10皮瓦）的信號。方便的包括一個強大的數字信號處理器（DSP）內核（相當于ADSP-218x），用于編碼，加密，交錯，打包，發送，接收，解包，解交織，解密和解碼。數據來自和來自語音頻帶A / D和D / A轉換器。同樣強大的微控制器（ARM或Hitachi H8）與硬件突發處理器相結合，控制實現時分多址（TDMA）和跳頻功能所需的時序，以便在特定的時間和頻率頻道上保持電話呼叫。微控制器還實現了人機界面，并運行了與基站通信的所有必要協議。

無線電架構設計

今天大多數數字蜂窩電話至少包含一個“ “信號鏈中的下轉換”。該頻率轉換將所需信號從標準的分配RF頻帶（例如，在900MHz）移動到某個較低的中頻（IF），其中使用窄信道選擇濾波器（通常是表面聲波）執行信道選擇。 （SAW）或陶瓷型）。然后將經過濾波的信號進一步下變頻到第二個IF或直接下變頻到基帶，然后在數字信號處理器（DSP）中進行數字化和解調。

長期以來，對RF設計一直關注使用直接轉換接收器的想法。原因很明顯：在消費設備轉換階段增加成本，體積和重量。每個轉換級需要一個本地振蕩器（通常包括一個頻率合成器將LO鎖定到給定頻率上），混頻器，濾波器和（可能）放大器。因此，難怪直接轉換接收器會很有吸引力。消除了所有中間階段，降低了接收器的成本，體積和重量。

第一款Othello ?無線電通過集成前端GSM，進一步減少了元件數量低噪聲放大器（LNA）。這消除了消除圖像所需的RF濾波器（“圖像”濾波器），或者混頻器和片外LNA的不需要的混頻產品。該階段通常由分立晶體管實現，加上偏置和匹配網絡，總共約12個元件。集成LNA總共可節省大約15到17個組件，具體取決于（現已消除的）過濾器所要求的匹配量。

Superhomodyne ?直接轉換接收器

圖1顯示了Othello ?雙頻GSM無線電架構的功能框圖。接收部分位于圖的頂部。從天線連接器，所需信號進入發送/接收開關并在適當的路徑上退出，GSM頻段為925-960 MHz，DCS為1805-1880 MHz。然后信號通過RF頻帶濾波器（所謂的“屋頂濾波器”），用于通過整個所需頻帶，同時衰減所有其他帶外頻率（阻塞 - 包括傳輸頻帶中的頻率）以防止它們使無線電前端的有源元件飽和。屋頂濾波器后面是低噪聲放大器（LNA）。這是系統中的第一個增益元件，有效地降低了所有后續級對系統噪聲的影響。在LNA之后，直接轉換混頻器通過將所需信號與相同頻率的本地振蕩器（LO）輸出相乘，將所需信號從射頻（RF）一直轉換到基帶。

然后將混頻器級的輸出以正交（I和Q通道）發送到可變增益基帶放大器級。 VGA還提供相鄰信道的一些濾波，以及帶內阻塞的衰減。這些阻塞信號是距離所需信道一定距離的其他GSM信道，比如說3 MHz甚至更遠。基帶放大器對這些信號進行濾波，使其不會使接收ADC飽和。在放大器級之后，所需信號由接收ADC數字化。

Virtual-IF ?發送器

發送部分從右側開始，位于多路復用的I和Q輸入/輸出。由于GSM系統是時分雙工（TDD）系統，因此發送器和接收器永遠不會同時打開。 Othello ?無線電架構利用這一事實在收發器IC封裝上節省了四個引腳。正交發送信號通過多路復用I / O進入發送器。然后將這些I和Q信號調制到中心頻率大于100 MHz的載波上。

調制器的輸出進入相位頻率檢測器（PFD），在此處將其與a進行比較。從外部信道選擇LO產生的參考頻率。 PFD的輸出是電荷泵，工作在100 MHz以上，其輸出由相當寬（1 MHz）的環路濾波器濾波。環路濾波器的輸出驅動壓控振蕩器（VCO）的調諧端口，其頻率范圍覆蓋GSM和DCS發射頻段。

發送VCO的輸出被發送到兩個地方。主要路徑是發射功率放大器（PA），它將發射信號從大約+3 dBm放大到+35 dBm，將其發送到發射/接收開關和低通濾波器（衰減功率放大器諧波）。功率放大器是雙頻段，帶有簡單的CMOS控制電壓，用于頻段開關。 VCO輸出也通過耦合器傳送到發送反饋混頻器，耦合器是印刷電路，由分立電感器和電容器構成，或者是單片（通常是陶瓷）耦合器件。反饋混頻器將發送信號下變頻到發送IF，并將其用作發送調制器的本地振蕩器信號。

這種類型的調制器有幾個名稱，但最具描述性的可能是“轉換循環” 。轉換環路調制器利用GSM標準的一個關鍵方面：調制方案是高斯濾波的最小移位鍵控（GMSK）。這種類型的調制不會影響包絡幅度，這意味著功率放大器可以飽和并且仍然不會使通過它發送的GMSK信號失真。

GMSK可以通過幾種不同的方式生成。在另一個歐洲標準（用于無繩電話）中，通過用高斯濾波數據流直接調制自由運行VCO來創建GMSK。在GSM中，選擇的方法是正交調制。正交調制產生精確的相位GMSK，但是調制器電路（或上變頻級）中的缺陷會產生包絡波動，這反過來會在飽和功率放大器放大時降低相位軌跡。為了避免這種惡化，GSM手機制造商不得不使用具有更高線性度的放大器，其代價是降低每個電池充電周期的效率和通話時間。

平移環路調制器結合了直接調制VCO的優勢和固有的更精確的正交調制。實際上，該方案創建了鎖相環（PLL），包括調制器，LO信號和VCO輸出和反饋混頻器。結果是直接調制的VCO輸出，具有完全恒定的包絡和幾乎完美的相位軌跡。在AD6523收發器IC中測量的相位軌跡誤差低至1.5度，使用信號發生器作為LO信號，為環路提供參考。

頻率規劃

奧賽羅?無線電設計的一個重要方面是頻率規劃。 GSM標準對帶內和帶外雜散發射有嚴格的要求。 GSM蜂窩電話必須能夠承受極高電平（0 dBm）的阻塞，同時繼續正常接收。手機也不能向一定水平以上的其他頻段發射雜散信號（在GSM接收頻段，相對于發射信號為-112 dB！）。

Othello ?無線電架構的設計考慮了整個系統。頻率規劃經過精心設計，以滿足三個同樣重要的標準：

通過滿足所有這些標準，主要的無線電問題已經解決，始終牢記最終用戶和應用。最終的解決方案既優雅又實用。

減少無線電的雜散發射

無線電的雜散發射可能導致發射和接收模式出現問題。任性LO信號可以找到通向天線的路徑并“自阻止”直接轉換接收器，從而降低靈敏度。 LO信號也可以從天線輻射并降低其他接收器的性能。

在Othello ?頻率規劃中，本地振蕩器的中心頻率選擇為大約1350 MHz 。這使得戰略性地將LO放置在GSM和DCS頻帶之間，使得單個LO可以用于GSM和DCS，從而節省了組件。由于該頻率遠離任何一個頻段，因此無線電的前端濾波器將衰減任何輻射的LO信號，因此它不會成為輻射雜散發射的問題。即使信號直接從IC上的引腳到引腳耦合，其功率電平也會低于天線接收到的帶內或帶外阻塞的GSM要求。

在發送部分，雜散信號也可能造成問題。雖然發射器是直接VCO調制器，但反饋混頻器會在其輸出端引入雜散信號，必須在進入相位檢測器之前對其進行濾波。否則，由于相位檢測器輸入級的非線性操作，它們可能本身出現在輸出端或者由于與所需調制信號混合而導致其他寄生信號出現。這是任何轉換環路調制器固有的問題。通過使用分離頻率很高的LO頻率，Othello ?架構簡化了這些產品的濾波。

最小化雙頻帶寬本地振蕩器VCO

Othello ?架構旨在最大限度地減少構建完整雙頻段無線電所需的外部組件數量。頻率規劃是專門選擇的，使單個LO VCO可以覆蓋GSM和DCS頻段，同時仍然滿足所有GSM LO VCO所需的3 MHz偏移所必需的嚴格相位噪聲規范。通過將VCO的帶寬要求保持在最低水平，VCO可以設計為最大電源電壓為2.7 V.這使得整個雙頻段無線電可以在2.7 V電壓下工作，從而降低功耗并實現鎳的使用 - 鎘（NiCd），鎳金屬氫化物（NiMH）或鋰離子（Li-ion）電池類型。

消除盡可能多的潛在阻斷劑

由于在直接轉換接收器架構中，Othello ?無線電具有較少的“故障”通道，用于GSM所需的阻塞測試。由于所需的形狀因素，超外差接收器必須始終應對難以用RF濾波器濾波的半IF響應。通過直接轉換，Othello ?消除了半中頻響應。

性能

奧賽羅無線電的一個主要優勢是實現它所需的組件數量的減少不會導致性能損失。在GSM和DCS頻段，Othello ?系統噪聲系數允許從所需的接收器靈敏度-102 dBm產生約6 dB的產量。變送器提供類似的生產余量，相位軌跡誤差為2.5°rms，與5°rms的要求相比。

未來的好處

Othello ?無線電是AD6524的小數N分頻合成器具有足夠短的鎖定時間以支持GPRS操作。 [GPRS，即2000年GSM網絡的擴展，將允許兼容的GSM手機使用非常高的數據速率。] GPRS操作的要求是LO合成器必須鎖定不到半個GSM時隙（鎖定時間小于250μs）。 AD6524具有分數N合成器，能夠比傳統合成器更快地達到鎖定，因為分數N類型的工作參考頻率高于通道間隔，因此每個參考周期跳過多個通道。對于AD6524，26 MHz參考頻率是系統晶振頻率的兩倍（與200 kHz的通道間隔相比），可確保Othello ?無線電滿足所需的鎖定時間GPRS。快速鎖定時間還有助于通過允許基帶部分保持無線電關閉更長的時間間隔來降低功耗。

奧賽羅?無線電為此打開了新的機會之門未來。如今，完整的雙頻段奧賽羅無線電，包括所有電源管理功能，只需90個組件即可實現。由于組件很少，無線電可以在不到10平方厘米的電路板空間內實現。圖2是奧賽羅的原型無線電設計照片，在四層PCB上實現。將其與超外差接收器進行比較，該接收器現在使用大約225個元件，占用的電路板空間小于15平方厘米，用于相同的功能。 （即使這是對兩年前無線電的改進，它使用相同數量的組件來實現單波段GSM無線電！）直接轉換的優勢直接轉化為更低成本的方式：更少的組件意味著原始 - 設備制造商（OEM）在物料清單（BOM）上花費較少，而在插入組件時花費較少（每次插入約一便士）。組裝手機的時間減少了，提高了工廠的吞吐量;并且手機的可制造性得到改善（焊接接頭數量減少等問題）可靠性提高。

由于Othello ?無線電可以如此緊湊，它們可以將GSM無線電技術整合到許多已被排除在外的產品中，例如非常小巧的手機或PCMCIA卡。然而，當多功能第三代手機設計用于處理多種標準時，可以看到直接轉換的真正威力。通過直接轉換，硬件通道選擇濾波器將是不必要的，因為通道選擇是在數字信號處理部分中執行的，可以對其進行編程以處理多個標準。將其與超外差結構進行對比;處理不同標準所需的多個無線電電路（因為每個都需要不同的信道選擇濾波器）都必須擠在一個小空間內。通過直接轉換，相同的無線電鏈可以用于幾種不同的標準，帶寬和調制類型。因此，概念上，網絡瀏覽和語音服務可以通過手機中的相同無線電在GSM網絡上發生。

ADI公司和GSM

未來，奧賽羅?無線電僅是ADI公司直接轉換接收器解決方案系列中的第一款。更多正在進行中。但是這項技術在GSM行業近十年的產品設計中有充分的基礎。 ADI芯片可以在全球數百萬臺GSM手機中找到。