全集成CMOS GSM射频收发器的实现与应用
时间：2020-12-14
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作为目前在世界上使用最为广泛的移动通信标准，自从九十年代开始在全球大规模商用以来，GSM一直展示出强大的生命力。不管是在GSM的发源地欧洲，还是在移动通信的新兴市场亚洲、非洲，GSM系统都拥有最为成熟和完善的产业链和用户群，涵盖了系统、终端、设备、软件、测试等等领域。随着GPRS、EDGE等可以进一步丰富GSM数据应用的技术开始应用，在今后的相当长的时间内，GSM凭借广泛的网络覆盖、可靠的通信质量、低廉的资费，必将构造和3G标准共存双赢的格局。
手机终端作为和用户接触最为紧密的产品，其价格、性能、体积、节能是用户在选购时的首要考虑因素。于是手机终端设计厂商在比较各种解决方案时，集成度、性能、功耗都是重要的参考因素。
手机终端中最重要的核心是射频芯片和基带芯片，射频芯片负责射频收发、频率合成、功率放大；基带芯片负责信号处理和协议处理。最早期的GSM终端，射频部分都是使用双极工艺的分立元件，需要超过70颗芯片和元器件，面积大、成本高。随着九十年代末期CMOS射频工艺的进步和成熟，使用和数字工艺兼容的CMOS工艺制造高性能、高集成度的射频芯片逐步成为潮流。
RDA6205芯片基本特性
RDA6205是由锐迪科微电子研发的收发器芯片，这是一款高性能、全集成CMOS GSM收发器芯片，封装后芯片尺寸只有5mm×5mm。该芯片中集成了LNA、混频器、滤波器、模数转换器(ADC)、DSP、PLL频率合成器和模拟基带接口。只需少量外围元件，就能构成完整的射频子系统，并且可以通过内置的通用模拟基带接口和市场主流的多种基带芯片通信。
作为一款全集成的GSM射频收发器芯片，RDA6205有着优异的射频性能，其GSM频段接收灵敏度达-108dBm，远超过GSM标准规定的-102dBm；其发射频谱400kHz的ACPR达到-70dBc，比同类产品提高了3~5dB。
RDA6205芯片同时支持数字补偿晶振(DCXO)，使得整个系统可以非常鲁棒地抵御温度变化带来的频率漂移，进而满足发射接收频偏＜0.1ppm这样苛刻的GSM标准要求。而在传统方案中，用户为了达到这个目的，不得不选择昂贵的温补晶振(TCXO)。
RDA6205芯片工作原理
RDA6205原理框图如图1所示。
图1：RDA6205的功能模块图
当RDA6205芯片工作在接收模式时，需要将任意强度的射频信号变成基本恒定强度的基带信号，然后送给基带芯片。微弱的射频信号，通过差分端口输入芯片，首先进入前端的LNA，LNA在不引入太大额外噪声的条件下，可以将输入信号放大20dB，大大降低接收链路其它电路对自身噪声的要求。随后信号进入正交下变频混频器，下变频到100kHz的近零中频。由于在现实复杂的GSM空中网络环境中，我们期望接收的信号附近往往存在着很大的干扰信号(block signal)，所以经过正交下变频后的信号，需要通过一个中心频率在100kHz的复数带通滤波器，滤除带外的干扰信号。完成滤波操作后的信号直接送到高精度高动态范围的Δ-Σ模数转换器中，被转化成数字信号。
RDA6205内置了一个功能强劲的专用DSP单元，从ADC送出的数字信号，将在这里进行数字下变频、直流偏移消除(DC cancel)、频率选择滤波等功能。随后，处理好的信号通过一个可灵活编程的模数转换器(DAC)送给基带芯片的模拟接口。
RDA6205的整个接收链路增益灵活可调，最大可以提供超过100dB的增益范围，在基带芯片的AGC策略下，RDA6205可以在保证足够信躁比的同时，轻松处理从-102dBm到-15dBm各种强度的射频输入信号。当RDA6205芯片工作在发射模式时，需要将基带芯片送来的模拟基带信号，变成射频信号，驱动射频前端功率放大器(PA)发射出去。
由于GSM标准采用了GMSK这样恒定包络调制方式，所有有用的信息都是携带在射频信号的相位域上，所以RDA6205使用了先进的直接调制发射结构(Direct Modulation)。
基带芯片输入的模拟基带信号，首先被RDA6205芯片中的ADC采样量化，然后判决出其中携带的相位调制信息，将此相位调制信息进行微分处理，然后通过Δ-Σ PLL，将调制信息叠加到当前的载波频率值上，这样PLL输出的本振信号就是已经调制过的射频发射信号。PLL输出的射频调制信号通过功率放大器驱动模块，可以直接驱动50Ω的功率放大器。
RDA6205通过采用先进的发射结构，获得了优异的发射频谱指标，其在400kHz点的ACPR指标，比传统方案提高了3~5dB。
RDA6205芯片应用
如图2所示，RDA6205可以和多种市场主流的基带芯片配合，实现GSM的整体解决方案，设计出体积小巧、性能优异、成本低廉的GSM用户终端。
图2：RDA6205典型应用图
得益于RDA6205的高集成度，整个终端解决方案的射频部分，只包括射频天线、功放开关模块、射频声表面波滤波器(SAW)和少量的分产元件，不仅大大降低了元件成本，而且减少了射频PCB的设计难度。
同时，相对于传统的超外差方案，应用RDA6205的GSM用户终端，由于射频部分的分立元件少、集成度高，从天线接收下来射频信号，通过前端开关后，就直接进入RDA6205芯片内部，所有的模拟信号处理过程都在芯片内部完成，避免了PCB上的各种干扰信号对射频电路的直接影响，大大提高了整个射频系统的抗干扰性能。
而传统的超外差方案，由于不得不使用中频滤波器等外围元件，不仅在PCB的面积上受到很大限制，而且由于比较敏感的中频信号在片外的PCB上容易受到干扰，对PCB的设计和制造工艺都有较高的要求，容易造成量产中整机良率的下降。
随着FM、DVB、MP3、MP4等等多媒体应用在终端的进一步普及，以及用户对终端小型化、多功能化需求的进一步上升，使用全集成RDA6205的手机应用将在未来的市场中大放异彩。
手机终端作为和用户接触最为紧密的产品，其价格、性能、体积、节能是用户在选购时的首要考虑因素。于是手机终端设计厂商在比较各种解决方案时，集成度、性能、功耗都是重要的参考因素。
手机终端中最重要的核心是射频芯片和基带芯片，射频芯片负责射频收发、频率合成、功率放大；基带芯片负责信号处理和协议处理。最早期的GSM终端，射频部分都是使用双极工艺的分立元件，需要超过70颗芯片和元器件，面积大、成本高。随着九十年代末期CMOS射频工艺的进步和成熟，使用和数字工艺兼容的CMOS工艺制造高性能、高集成度的射频芯片逐步成为潮流。
RDA6205芯片基本特性
RDA6205是由锐迪科微电子研发的收发器芯片，这是一款高性能、全集成CMOS GSM收发器芯片，封装后芯片尺寸只有5mm×5mm。该芯片中集成了LNA、混频器、滤波器、模数转换器(ADC)、DSP、PLL频率合成器和模拟基带接口。只需少量外围元件，就能构成完整的射频子系统，并且可以通过内置的通用模拟基带接口和市场主流的多种基带芯片通信。
作为一款全集成的GSM射频收发器芯片，RDA6205有着优异的射频性能，其GSM频段接收灵敏度达-108dBm，远超过GSM标准规定的-102dBm；其发射频谱400kHz的ACPR达到-70dBc，比同类产品提高了3~5dB。
RDA6205芯片同时支持数字补偿晶振(DCXO)，使得整个系统可以非常鲁棒地抵御温度变化带来的频率漂移，进而满足发射接收频偏＜0.1ppm这样苛刻的GSM标准要求。而在传统方案中，用户为了达到这个目的，不得不选择昂贵的温补晶振(TCXO)。
RDA6205芯片工作原理
RDA6205原理框图如图1所示。
图1：RDA6205的功能模块图
当RDA6205芯片工作在接收模式时，需要将任意强度的射频信号变成基本恒定强度的基带信号，然后送给基带芯片。微弱的射频信号，通过差分端口输入芯片，首先进入前端的LNA，LNA在不引入太大额外噪声的条件下，可以将输入信号放大20dB，大大降低接收链路其它电路对自身噪声的要求。随后信号进入正交下变频混频器，下变频到100kHz的近零中频。由于在现实复杂的GSM空中网络环境中，我们期望接收的信号附近往往存在着很大的干扰信号(block signal)，所以经过正交下变频后的信号，需要通过一个中心频率在100kHz的复数带通滤波器，滤除带外的干扰信号。完成滤波操作后的信号直接送到高精度高动态范围的Δ-Σ模数转换器中，被转化成数字信号。
RDA6205内置了一个功能强劲的专用DSP单元，从ADC送出的数字信号，将在这里进行数字下变频、直流偏移消除(DC cancel)、频率选择滤波等功能。随后，处理好的信号通过一个可灵活编程的模数转换器(DAC)送给基带芯片的模拟接口。
RDA6205的整个接收链路增益灵活可调，最大可以提供超过100dB的增益范围，在基带芯片的AGC策略下，RDA6205可以在保证足够信躁比的同时，轻松处理从-102dBm到-15dBm各种强度的射频输入信号。当RDA6205芯片工作在发射模式时，需要将基带芯片送来的模拟基带信号，变成射频信号，驱动射频前端功率放大器(PA)发射出去。
由于GSM标准采用了GMSK这样恒定包络调制方式，所有有用的信息都是携带在射频信号的相位域上，所以RDA6205使用了先进的直接调制发射结构(Direct Modulation)。
基带芯片输入的模拟基带信号，首先被RDA6205芯片中的ADC采样量化，然后判决出其中携带的相位调制信息，将此相位调制信息进行微分处理，然后通过Δ-Σ PLL，将调制信息叠加到当前的载波频率值上，这样PLL输出的本振信号就是已经调制过的射频发射信号。PLL输出的射频调制信号通过功率放大器驱动模块，可以直接驱动50Ω的功率放大器。
RDA6205通过采用先进的发射结构，获得了优异的发射频谱指标，其在400kHz点的ACPR指标，比传统方案提高了3~5dB。
RDA6205芯片应用
如图2所示，RDA6205可以和多种市场主流的基带芯片配合，实现GSM的整体解决方案，设计出体积小巧、性能优异、成本低廉的GSM用户终端。
图2：RDA6205典型应用图
得益于RDA6205的高集成度，整个终端解决方案的射频部分，只包括射频天线、功放开关模块、射频声表面波滤波器(SAW)和少量的分产元件，不仅大大降低了元件成本，而且减少了射频PCB的设计难度。
同时，相对于传统的超外差方案，应用RDA6205的GSM用户终端，由于射频部分的分立元件少、集成度高，从天线接收下来射频信号，通过前端开关后，就直接进入RDA6205芯片内部，所有的模拟信号处理过程都在芯片内部完成，避免了PCB上的各种干扰信号对射频电路的直接影响，大大提高了整个射频系统的抗干扰性能。
而传统的超外差方案，由于不得不使用中频滤波器等外围元件，不仅在PCB的面积上受到很大限制，而且由于比较敏感的中频信号在片外的PCB上容易受到干扰，对PCB的设计和制造工艺都有较高的要求，容易造成量产中整机良率的下降。
随着FM、DVB、MP3、MP4等等多媒体应用在终端的进一步普及，以及用户对终端小型化、多功能化需求的进一步上升，使用全集成RDA6205的手机应用将在未来的市场中大放异彩。