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MAX2701及其在衛(wèi)星接收機(jī)中的應(yīng)用
摘要：介紹了用于直接下變頻（零中頻）接收機(jī)的解調(diào)芯片ＭＡＸ２７０１的主要特點(diǎn)和功能，并給出了它在衛(wèi)星接收機(jī)中的典型應(yīng)用。關(guān)鍵詞：MAX2701 芯片 直接下變頻 衛(wèi)星接收機(jī)
隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，面向?qū)Ｓ孟到y(tǒng)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(gè)完整的無線通信系統(tǒng)射頻模塊的構(gòu)建過程，已經(jīng)變成對適合芯片的選擇與使用的過程。因此，射頻系統(tǒng)性能的優(yōu)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(shè)計(jì)一種衛(wèi)星通信接收機(jī)過程中所使用的一款美信公司用于直接下變頻接收機(jī)的射頻芯片。本文在介紹這款芯片特點(diǎn)的同時(shí)，將圍繞它在衛(wèi)星接收機(jī)中的具體應(yīng)用做詳細(xì)介紹。
圖1 MAX2701的功能模塊圖
１ 美信ＭＡＸ２７０１零中頻接收解調(diào)芯片
１．１ 概述
ＭＡＸ２７０１是一款用于零中頻結(jié)構(gòu)的正交調(diào)制解調(diào)芯片，它是專為２．１ＧＨｚ～２．５ＧＨｚ的寬帶無線局域網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。零中頻結(jié)構(gòu)接收機(jī)在系統(tǒng)中不存在中頻ＩＦ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ），因而避免了鏡像干擾，節(jié)省了鏡像濾波器的設(shè)計(jì)成本；同時(shí)，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(gè)接收機(jī)的設(shè)計(jì)，節(jié)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(gè)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(diào)控電路和偏置電路。其功能模塊圖如圖１所示。
低噪聲放大器ＬＮＡ模塊由一個(gè)單端輸入、增益可調(diào)放大器實(shí)現(xiàn)，它的噪聲系數(shù)在電源電壓＋３Ｖ時(shí)為２．３ｄＢ；正常工作狀態(tài)下增益達(dá)１６ｄＢ。
正交解調(diào)模塊將射頻信號直接下變頻到基帶，解調(diào)出Ｉ／Ｑ兩路信號。信號的放大和濾波主要集中在基帶進(jìn)行，對于放大器的設(shè)計(jì)和高Ｑ值濾波器的實(shí)現(xiàn)都很有利。同時(shí)，中頻聲表面波濾波器ＳＡＷ和中頻本振模塊的節(jié)省，大大簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了成本，縮短了開發(fā)周期。
圖2 衛(wèi)星接收機(jī)模塊簡圖
解調(diào)模塊包括：兩個(gè)線性度很高的雙平衡混頻器； 一個(gè)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(shè)計(jì)在ＭＡＸ２７０１中獨(dú)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(dá)６０ｄＢ的兩級增益可調(diào)放大器。第一級是一個(gè)級聯(lián)差分輸入單端輸出的寬帶放大器，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在高增益狀態(tài)下的低噪聲、低功耗以及高線性度；第二級也是一個(gè)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(gòu)成頻道選擇濾波器，從而達(dá)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(jī)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)措施。Ｉ／Ｑ兩路基帶信號會因?yàn)槔缧诺捞匦圆煌�、本振信號相移誤差等諸多因素導(dǎo)致增益的不平衡。這將導(dǎo)致解調(diào)Ｉ／Ｑ星座圖上點(diǎn)跡混沌、ＥＶＭ值增大、誤碼率升高，嚴(yán)重影響解調(diào)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，(范文先生網(wǎng)www.qkfawen.com收集整理)其誤差信號通過一個(gè)微分反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)兩級放大器的增益控制電路。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)兩路信道的增益，從而補(bǔ)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(shè)計(jì)了增益可調(diào)放大器的偏移調(diào)控電路。它通過一個(gè)內(nèi)置的偏置矯正反饋放大器消除增益可調(diào)放大器的直流偏移。在放大器的增益達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，直流偏移會影響放大器的工作點(diǎn)而影響非線性性能。在偏移調(diào)控電路中的時(shí)間常數(shù)會影響芯片的上電時(shí)間，所以在對上電時(shí)間要求比較嚴(yán)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(tài)下功率不超過０．５Ｗ，關(guān)斷狀態(tài)下功耗降低至６０μＷ。基帶Ｉ／Ｑ兩路信道帶寬更是達(dá)到５６ＭＨｚ，使它的適用范圍較為廣泛。其適用的系統(tǒng)包括：
?１?無線本地環(huán)路，無線局域網(wǎng)；
?２?寬帶直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)；
?３?雙向ＭＭＤＳ；
?４?寬帶２．４ＧＨｚ ＩＳＭ頻段無線電系統(tǒng)；
?５?數(shù)字微波系統(tǒng)。
表１中列出了ＭＡＸ２７０１的主要參數(shù)和性能指標(biāo)。
表1 MAX2701的主要參數(shù)和性能指標(biāo)
２ 應(yīng)用實(shí)例
在實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，筆者使用ＭＡＸ２７０１作為核心芯片，構(gòu)建了一種用于衛(wèi)星通信的接收機(jī)，整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的功能模塊簡圖如圖２所示。
衛(wèi)星接收機(jī)是無線通信系統(tǒng)中一種常見的接收裝置，它最主要特點(diǎn)是對接收靈敏度的要求很高。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，低噪聲放大器采用了片外獨(dú)立的模塊，以期獲得最好的噪聲系數(shù)特性。通過對樣機(jī)的實(shí)測，系統(tǒng)中的ＬＮＡ的噪聲系數(shù)達(dá)２．０，優(yōu)于ＭＡＸ２７０１片上ＬＮＡ的噪聲特性。與此相適應(yīng)，系統(tǒng)對本振頻率的相位噪聲、頻率穩(wěn)定度等指標(biāo)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(shí)測，其本振信號的特性完全達(dá)到了系統(tǒng)要求。
此外，本系統(tǒng)要求高度小型化，采用以ＭＡＸ２７０１為核心芯片的零中頻結(jié)構(gòu)，能最大程度地減小接收機(jī)的體積。圖２中虛線框內(nèi)的模塊就是由ＭＡＸ２７０１實(shí)現(xiàn)的，由此可見，其集成度是很高的。
２．１ ＭＡＸ２７０１芯片應(yīng)用
由于ＭＡＸ２７０１采用了�。矗改_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(xiàng)目中，舍棄了片中ＬＮＡ的使用。這無疑給布線帶來了方便，同時(shí)減輕了避免射頻干擾對布線帶來的壓力，這也是為提高調(diào)試成功率所采取的措施之一。接收的射頻調(diào)制信號經(jīng)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(jìn)串?dāng)_。在本系統(tǒng)中，射頻鏈路上的增益已經(jīng)能夠滿足設(shè)計(jì)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(tǒng)采用了最直接的單端饋入。
在射頻電路調(diào)試中，各級放大器、濾波器的匹配是一項(xiàng)很重要的工作。首先必須對ＬＮＡ和ＭＡＸ２７０１的隔離放大器輸入端進(jìn)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(gè)放大器的輸出阻抗都很小，只有幾個(gè)歐姆，而輸入阻抗在２ｋΩ的量級上。在設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)，這些都必須考慮到。
在對本振信號的選取上，雖然ＭＡＸ２７０１內(nèi)部有一個(gè)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(tǒng)本振的頻率，減輕本振設(shè)計(jì)的壓力。但是這種倍頻方案的主要缺點(diǎn)是ＭＡＸ２７０１芯片內(nèi)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(dāng)于又對本振信號的相位噪聲提出更高的要求。同時(shí)，倍頻非線性會產(chǎn)生更高次諧波，使得系統(tǒng)的功率效率降低，為電路提供了潛在的諧振點(diǎn)，影響穩(wěn)定性。此外，ＭＡＸ２７０１的數(shù)據(jù)手冊上所給出的實(shí)測數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shí)，對于手工調(diào)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(gè)電路板的損壞。在設(shè)計(jì)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(diào)試結(jié)果來看，效果很好。
在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)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(gè)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(dá)到良好接地。實(shí)際調(diào)試結(jié)果證明，這樣的處理方法很有效。
２．２ 低通濾波器設(shè)計(jì)
Ｉ／Ｑ兩路基帶信號被解調(diào)出后，必須通過各自的低通濾波器進(jìn)行低通濾波。低通濾波器的帶寬由基帶調(diào)制信號的特性決定。在本系統(tǒng)中，對基帶接收濾波器的定義為通帶３．５ＭＨｚ?－３ｄＢ??在６ＭＨｚ時(shí)衰減３０ｄＢ，它是由一個(gè)４階巴特沃思低通實(shí)現(xiàn)的。電感和電容都采用了典型常用值，并使用０８０５的較大封裝�；冢停粒兀玻罚埃钡牟季质沟茫桑褍蓚�(gè)基帶的通道位于芯片的對邊，且引腳細(xì)密，如果直接把設(shè)計(jì)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(jīng)通孔轉(zhuǎn)到背板通行。這就有可能使系統(tǒng)中基帶解調(diào)信號與其它ＲＦ信號產(chǎn)生串?dāng)_從而使性能受到影響。為了避免這種可能性，在實(shí)現(xiàn)這個(gè)低通濾波器時(shí)，采用了級聯(lián)等效方法，用兩個(gè)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(lián)設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真，圖４是仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果。
圖5 樣機(jī)低通濾波器頻率響應(yīng)
通過對樣機(jī)的測試實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)，例如靈敏度、噪聲系數(shù)、增益、帶寬等都達(dá)到了設(shè)計(jì)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(jī)芯片。它直接給出了ＲＦ——基帶的解決方案，大大簡化了接收機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了成本。目前，在無線移動(dòng)終端設(shè)備中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
一種用于衛(wèi)星接收機(jī)的射頻前端的設(shè)計(jì)也在文中給出。主要圍繞ＭＡＸ２７０１的應(yīng)用介紹了該系統(tǒng)射頻模塊的設(shè)計(jì)和調(diào)試。對基帶低通濾波器的設(shè)計(jì)仿真和實(shí)測結(jié)果取得了較好的一致性，并且接收機(jī)的其它參數(shù)都達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。
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