單芯片無線電通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單芯片無線電通信系統(tǒng)是將發(fā)射機(jī)、接收器、放大器、電源管理組件以及其他一些基帶邏輯電路綜合成一個單一芯片的單晶片裝置，單芯片無線電的實(shí)現(xiàn)是由于深亞微米CMOS技術(shù)的迅猛發(fā)展。由于它體積小，低功耗，可以很方便地嵌入到非常小的或者是便攜式的電子產(chǎn)品中。又由于使用了CMOS技術(shù)，使其成本低，同時(shí)因所有電路組件都在一塊芯片上，與用PCB板設(shè)計(jì)的電路相比，設(shè)計(jì)的最終產(chǎn)品有更高的可靠性。

　　在單芯片無線電通信中最重要的組成部分是發(fā)射和接收，被稱為短收發(fā)。在發(fā)射方，由邏輯電路產(chǎn)生一個低頻的基帶信號，首先由一個混合器調(diào)制到適當(dāng)?shù)念l率(上轉(zhuǎn)換)，然后信號經(jīng)功率放大器(PAS)增強(qiáng)后由天線輻射出去。

　　在接收方，天線接收到信號，通過低噪聲放大器(LNAs)，最后被混頻器調(diào)制，這次是降低信號的頻率，稱為下轉(zhuǎn)換。將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)雙方結(jié)合在一個單芯片上，必須有一個允許天線發(fā)射和接收信號的開關(guān)，并且要落實(shí)隔離技術(shù)，以確保獨(dú)立的電路不互相干擾。

　　1 收發(fā)器的結(jié)構(gòu)

　　一個發(fā)射加上接收的收發(fā)器，發(fā)射機(jī)送電信號經(jīng)天線進(jìn)入大氣層，如果想得到非常高的頻率，比如大于1 GHz時(shí)，發(fā)射機(jī)將采用連續(xù)的上變頻來達(dá)到正確的頻率。但是，如果所需的頻率很低，例如100 MHz以下，那么發(fā)射機(jī)往往用一個直接轉(zhuǎn)換方法，或是單上變頻。

　　直接轉(zhuǎn)換，又被稱為零中頻調(diào)制。在設(shè)計(jì)中采用直接轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)在于這種方法能提供更好的噪聲特性，使發(fā)射機(jī)不再需要大體積的濾波器，否則它將占去單芯片過大的體積。但如果基帶和載波頻率不同量級，混頻器的設(shè)計(jì)就變得更加困難。所以，當(dāng)芯片采用調(diào)幅/調(diào)頻無線電通信時(shí)，應(yīng)該采用直接轉(zhuǎn)換方案;當(dāng)它被用于GSM或WLAN的解決方案時(shí)，將用連續(xù)的上變頻，以達(dá)到正確的頻率，這也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

　　1.1 混頻器

　　混頻器是一個為調(diào)制信號頻率的電路，在無線電應(yīng)用中，混頻器在基帶頻率和載波頻率之間轉(zhuǎn)換電信號，兩路信號驅(qū)動混頻器，輸出的信號是兩個輸入信號相乘。當(dāng)通過混頻器時(shí)，輸入和振蕩器信號將成倍增加，并且能計(jì)算出來?；祛l器實(shí)際上是兩個信號的乘法電路，線性代數(shù)的一個簡單性質(zhì)證明，任何信號都可以用傅里葉級數(shù)描述，任何信號都是不同頻率的正弦曲線的總和。因此每個信號可以用正弦曲線表示，這是數(shù)學(xué)三角函數(shù)特性引起的頻率的加和減。比如，輸入V1和V2，并使它們通過一個混合器，V1的形式為V1=cosω1t，V2的形式為V2=c-osω2t，對傅里葉級數(shù)來說，ω1和ω2是信號的頻率，t是時(shí)間變量。

　　兩個信號的乘式為：

　　因此，其輸出頻率是由輸入頻率的相加和相減兩個部分組成。在實(shí)踐中，濾波是用來去除不想要的正弦頻率分量。在先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)中，能將濾波器包含在混頻器中設(shè)計(jì)，從而避免大體積的濾波器，這是單芯片無線電通信考慮的一個重要因素。

　　1.2 低噪聲放大器(LNA)

　　低噪聲放大器(LNA)是一個旨在限制雜散信號的放大器，它常用在無線電收發(fā)機(jī)的接收部分，并且非?？拷炀€。在大多數(shù)情況下，接收機(jī)天線接收到的微弱的射頻信號將包含一些雜散信號，因此，降低噪聲對接收機(jī)非常重要。根據(jù)Friis公式對于噪聲的描述，接收機(jī)的全部噪聲指數(shù)由最初級所控制，因此，將低噪聲放大器放在接收部分的前級，以提高信號的抗干擾能力。采用低噪聲放大器，后面各級噪音隨著LNA的增加而減少，而LNA的噪聲直接注入到信號中。因此，當(dāng)存在少量噪聲和失真時(shí)，加入低噪聲放大器，以增強(qiáng)有用信號功率是必要的。而信號可在系統(tǒng)的后級得到恢復(fù)。為了產(chǎn)生適當(dāng)增益，可以將幾個LNA串聯(lián)起來工作。

　　1.3 功率放大器(PA)

　　功率放大器是一個保持電信號波形不失真情況下增加其功率的電路。功率放大器被用于發(fā)射機(jī)部分，并放在天線的附近。信號經(jīng)過功率放大器送到天線，發(fā)送到外界環(huán)境中，由另一個無線電接收裝置接收。功率放大器也可串聯(lián)，以產(chǎn)生與1 W相似的所需功率，它們?nèi)Q于無線電信號發(fā)送的范圍。

　　1.4 天線

　　單芯片無線收發(fā)裝置設(shè)計(jì)的另一關(guān)鍵部分是天線。為了使整個系統(tǒng)規(guī)模較小，許多現(xiàn)代的單芯片無線解決方案使用片上天線代替分布式天線。在半導(dǎo)體基板上的天線制作是在高阻硅襯底上制造95 GHz的IMPATT二極管振蕩器的芯片集成天線，和在砷化鎵基板上制造43.3 GHz IMPATT二極管振蕩器的芯片集成天線。高阻硅襯底也被用來制造基于天線操作范圍在90～802 GHz的微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)。

　　除了襯底兼容性以外，要降低成本，天線必須利用主流硅技術(shù)上的導(dǎo)體和絕緣層制作。目前，金屬層可以是8～9層，厚度介于0.5～2μm之間。導(dǎo)體可以采用鋁或銅，該絕緣層分離導(dǎo)體是由于二氧化硅厚度介于0.5～1 μm之間的變化引起。芯片天線可以用來在集成電路內(nèi)部以及外部自由空間通信，信號的傳播是在傳播介質(zhì)中以光速傳播，但在無線互連網(wǎng)中使用的芯片天線不需要光學(xué)元件，因?yàn)槠潆y于集成。