移動通信直接變換技術

2019-11-03 09:47:45

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移動通信直接變換技術新式通信系統設計的一個重要方面是小型化。減少系統元件數是一個重要因素，這有助于構成靈活、多標準、多模工作。直接變換系統正在變得更加流行。本文所描述的設計是針對有關多模、多功能移動通信系統工程的。此設計由兩片集成電路（IC）構成。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）發送器所必需的主要功能，也包括本地振蕩器和片上穩壓器（為系統提供供電電路）。第二片IC是一款多頻合成器，它是一個N分頻合成器，有特別快的銷定時間，可在蜂窩電話上實現高級數據服務，如高速電路開關轉換數據（HSCSD）和GSM信息包無線電服務（GPRS）。這兩片IC合起來為GSM蜂窩電話實現雙頻或三頻提供所需的主要功能。與新式轉換環（或直接VCO）調制器結合在一起的直接變換技術減少了系統所需的外部濾波。系統結構設計當今大多數數字蜂窩電話至少有一“下變換”。頻率變換從所指定的標準 RF頻率（如900MHz），把所希望的信號變換到較低的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）執行信道選擇。然后被濾波的信號下變換到第二級IF或直接到基帶，在此，數字信號處理器（DSP）對信號進行數字化和解調。直接變換接收器在RF設計中也有很大的影響。明顯的原因是接收器變換級的成本、體積和重量。每個變換級需要一個本地振蕩器，一個鎖定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，降低了接收器成本、體積和重量。系統框圖來自天線連接器所希望的信號進入發送／接收開關并到適當的通路，GSM信號為925～960MHz，DCS信號為1.805～1.880GHz。然后，信號經過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），這是系統增益放大的第一個元件，它有效地降低下面所有級對系統噪聲的影響。LNA之后是直接變換混頻器，它把所希望的信號從射頻變到基帶。混頻器級的輸出以正交形式（I和Q信道）送到可變增益基帶放大器級。該級提供對鄰信道的濾波和衰減頻帶內阻塞（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）。基帶放大器對這些信號進行濾波，這樣到接收A／D變換器的信號是經濾波的。在放大器級之后，接收A／D變換器數字化所希望的信號。發送部分從混頻I和Q輸入／輸出開始。正交發送信號經混頻I／O到發送器。然后這些I／Q信號被調制在大于100MHz中頻載波上。調制器的輸出到相頻檢測器（PFD），在PFD中與由外部信道選擇LO所產生的基準頻率進行比較。PFD的輸出是工作在100MHz以上的電荷泵，由一個環濾波器（IMHz）濾波。環濾波器輸出驅動VCO的調諧端口，VCO頻率范圍覆蓋GSM和DCS發送頻帶。發送VCO的輸出有兩個通路，主通路到發送功率放大器（PA），PA把+3dBm左右的發送信號放大到+35dBm。信號送到發送／接收開關和低通濾波器（用于衰減PA諧波）。這些功率放大器是雙頻段的，具有頻段開關用的CMOS控制電壓。第二個通路是發送反饋混頻器。反饋混頻器下變頻發送信號到發送IF，并用此信號做為發送調制器用的本地振蕩器信號。因為GSM系統是時分雙工（TDD）系統，所以發送器和接收器決不能處于同一時間。這種特殊的系統結構可使收發器IC封裝節省4個引腳。這種類型的調制器有幾個名稱，星圖式化的名稱叫“轉換環”。轉換調制器采用GMSK（Ganssian濾波最小變換鍵控）。 GMSK調制是恒定包絡調制。這意味著功率放大器可以飽和，使GMSK信號不失真。在GSM中，選擇方法是正交調制，它可產生精確的相位GMSK，但調制器電路（或上變換級）不完美。它可能產生包絡起伏現象，當飽和功率放大器放大時，可能導致相位跡線下降。為了避免這樣的下降，電話設計人員強使GSM PA比可能做到的更線性和效率更低，降低通話時間。轉換調制器把直接變換VCO的優點與固有的精確正交調制結合起來。事實上，由調制器、LO信號和VCO輸出反饋混頻器構成鎖相環（PLL）。結果得到一個直接調制的VCO輸出，這是完美的恒定包絡，有很完美的相位跡線。降低寄生發射 GSM標準對頻帶內和頻帶外寄生發射有嚴格的要求。一個GSM蜂窩電話必須能夠經受在特別高電平（0dBm）時的阻塞，而同時又能連續正常接收。電話必須在某一電平（在GSM接收頻段，相對發送信號為-112dB）不發射寄生信號進入其他頻段。寄生發射在發送和接收方面都會引起問題。一個不定的LO信號可能有到天線的通路和“自閉塞”直接變換接收器，導致靈敏度降低。LO信號也可能從天線發射并降低其他接收器的性能。在頻率設計中，選擇本地振蕩器的中心頻率為1.35GHz左右。把LO設置在GSM和DCS頻段之間，以便使用單一LO供GSM和DCS兩者用，這樣可節省元件。因為此頻率遠離任一頻段，所以用系統的前端濾波器能很好地濾波。這不會造成發射寄生問題。即使信號從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瓦頻帶外阻塞的要求。在發送部分，寄生信號也會引起問題。盡管發送器是直接VCO調制器，但反饋混頻器將在輸出產生寄生信號，此寄生信號在進入相位檢測器之前必須濾掉。換句話說，這些寄生信號可能出現在輸出或由于相位檢測器輸入級的非線工作經過與所希望的調制信號混頻仍可導致出現其他寄生信號。這是轉換環調制中的固有問題。芯片結構設計使構成完整的雙頻系統所需的外部元件數最少。特別選擇頻率使其用單個LO VCO可覆蓋GSM和DCS頻段，同時滿足所有GSMLOVCO在3MHz補償所必需的相位噪聲指標。依據VCO的帶寬要求最低，VCO可設計最大2.7V電源電壓。使整個雙頻系統工作在2.7V，降低功耗，并可用NiCd、NiMH或鋰離子電池供電。直接變換接收器結構使系統有少數“干擾”信道用于GSM所需的閉塞測試。超外差接收器必須要對付半IF響應，由于所需的形狀因數原因，很難用RF濾波器把它濾掉。然而，這些系統的半 IF響應是450MHz，遠離GSM信道所希望的99MHz。半IF分量濾波比較容易。這種設計即降低元件數又不影響性能。設計特點本設計的關鍵特性是N分頻合成器具有 GPRS工作所必須的鎖定時間。GPRS是2000年GSM網絡的一種擴展，它將允許非常高的數據率用于GSM手機。GPRS的一個要求是LO合成器必須鎖定在小于一半GSM時隙（鎖定時間小于250μs）。N分頻合成器也能夠鎖定到比一般合成器快的時間，因為它們工作的基準頻率是高于信道間距，所以每個基準周期可跳越一個信道以上。在此，基準頻率是26MHz，為系統晶振頻率的2倍（信道間距200kHz）。快速鎖定時間有助于降低功耗，靠基帶部分保持較長時間的關機。這種簡單的設計使GSM無線電技術包含在很多產品中，如簡單電話或PCMCIA卡。前景無論如何，當考慮多標準電話時，直接變換的真正威力才會顯示出來。隨著世界開始步入所謂第三代電話服務，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據率的多標準形式。所以，Web瀏覽和語音服務可以用手機中的同一射頻部分出現在GSM網絡上。摘自《電子產品世界》

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