單芯片無(wú)線(xiàn)電通信系統設計

單芯片無(wú)線(xiàn)電通信系統是將發(fā)射機、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(gè)單一芯片的單晶片裝置，單芯片無(wú)線(xiàn)電的實(shí)現是由于深亞微米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板設計的電路相比，設計的最終產(chǎn)品有更高的可靠性。

　　在單芯片無(wú)線(xiàn)電通信中最重要的組成部分是發(fā)射和接收，被稱(chēng)為短收發(fā)。在發(fā)射方，由邏輯電路產(chǎn)生一個(gè)低頻的基帶信號，首先由一個(gè)混合器調制到適當的頻率(上轉換)，然后信號經(jīng)功率放大器(PAS)增強后由天線(xiàn)輻射出去。

　　在接收方，天線(xiàn)接收到信號，通過(guò)低噪聲放大器(LNAs)，最后被混頻器調制，這次是降低信號的頻率，稱(chēng)為下轉換。將發(fā)射機和接收機雙方結合在一個(gè)單芯片上，必須有一個(gè)允許天線(xiàn)發(fā)射和接收信號的開(kāi)關(guān)，并且要落實(shí)隔離技術(shù)，以確保獨立的電路不互相干擾。

　　1 收發(fā)器的結構

　　一個(gè)發(fā)射加上接收的收發(fā)器，發(fā)射機送電信號經(jīng)天線(xiàn)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)射機將采用連續的上變頻來(lái)達到正確的頻率。但是，如果所需的頻率很低，例如100 MHz以下，那么發(fā)射機往往用一個(gè)直接轉換方法，或是單上變頻。

　　直接轉換，又被稱(chēng)為零中頻調制。在設計中采用直接轉換的優(yōu)點(diǎn)在于這種方法能提供更好的噪聲特性，使發(fā)射機不再需要大體積的濾波器，否則它將占去單芯片過(guò)大的體積。但如果基帶和載波頻率不同量級，混頻器的設計就變得更加困難。所以，當芯片采用調幅/調頻無(wú)線(xiàn)電通信時(shí)，應該采用直接轉換方案;當它被用于GSM或WLAN的解決方案時(shí)，將用連續的上變頻，以達到正確的頻率，這也增加了系統的復雜性。

　　1.1 混頻器

　　混頻器是一個(gè)為調制信號頻率的電路，在無(wú)線(xiàn)電應用中，混頻器在基帶頻率和載波頻率之間轉換電信號，兩路信號驅動(dòng)混頻器，輸出的信號是兩個(gè)輸入信號相乘。當通過(guò)混頻器時(shí)，輸入和振蕩器信號將成倍增加，并且能計算出來(lái)?；祛l器實(shí)際上是兩個(gè)信號的乘法電路，線(xiàn)性代數的一個(gè)簡(jiǎn)單性質(zhì)證明，任何信號都可以用傅里葉級數描述，任何信號都是不同頻率的正弦曲線(xiàn)的總和。因此每個(gè)信號可以用正弦曲線(xiàn)表示，這是數學(xué)三角函數特性引起的頻率的加和減。比如，輸入V1和V2，并使它們通過(guò)一個(gè)混合器，V1的形式為V1=cosω1t，V2的形式為V2=c-osω2t，對傅里葉級數來(lái)說(shuō)，ω1和ω2是信號的頻率，t是時(shí)間變量。

　　兩個(gè)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(gè)部分組成。在實(shí)踐中，濾波是用來(lái)去除不想要的正弦頻率分量。在先進(jìn)的工程設計中，能將濾波器包含在混頻器中設計，從而避免大體積的濾波器，這是單芯片無(wú)線(xiàn)電通信考慮的一個(gè)重要因素。

　　1.2 低噪聲放大器(LNA)

　　低噪聲放大器(LNA)是一個(gè)旨在限制雜散信號的放大器，它常用在無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機的接收部分，并且非?？拷炀€(xiàn)。在大多數情況下，接收機天線(xiàn)接收到的微弱的射頻信號將包含一些雜散信號，因此，降低噪聲對接收機非常重要。根據Friis公式對于噪聲的描述，接收機的全部噪聲指數由最初級所控制，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(zhù)LNA的增加而減少，而LNA的噪聲直接注入到信號中。因此，當存在少量噪聲和失真時(shí)，加入低噪聲放大器，以增強有用信號功率是必要的。而信號可在系統的后級得到恢復。為了產(chǎn)生適當增益，可以將幾個(gè)LNA串聯(lián)起來(lái)工作。

　　1.3 功率放大器(PA)

　　功率放大器是一個(gè)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)射機部分，并放在天線(xiàn)的附近。信號經(jīng)過(guò)功率放大器送到天線(xiàn)，發(fā)送到外界環(huán)境中，由另一個(gè)無(wú)線(xiàn)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，它們取決于無(wú)線(xiàn)電信號發(fā)送的范圍。

　　1.4 天線(xiàn)

　　單芯片無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置設計的另一關(guān)鍵部分是天線(xiàn)。為了使整個(gè)系統規模較小，許多現代的單芯片無(wú)線(xiàn)解決方案使用片上天線(xiàn)代替分布式天線(xiàn)。在半導體基板上的天線(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)。高阻硅襯底也被用來(lái)制造基于天線(xiàn)操作范圍在90～802 GHz的微型機電系統(MEMS)。

　　除了襯底兼容性以外，要降低成本，天線(xiàn)必須利用主流硅技術(shù)上的導體和絕緣層制作。目前，金屬層可以是8～9層，厚度介于0.5～2μm之間。導體可以采用鋁或銅，該絕緣層分離導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(xiàn)可以用來(lái)在集成電路內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(wú)線(xiàn)互連網(wǎng)中使用的芯片天線(xiàn)不需要光學(xué)元件，因為其難于集成。