本文通過德州儀器(TI),赫梯(Hittite)和萊姆微系統(tǒng)公司(Lime Microsystems)的實(shí)例,探討了減小無線系統(tǒng)尺寸和功耗的不同趨勢(shì)。從數(shù)字基帶到高度集成的RF CMOS技術(shù)和新材料,以減小功率放大器和無線功率器件的尺寸,無線小型化的驅(qū)動(dòng)有許多復(fù)雜的工程權(quán)衡。組件設(shè)計(jì)也是趨勢(shì)中的關(guān)鍵部分,可重新配置的無線設(shè)備集成了更多的系統(tǒng)組件,以減小系統(tǒng)板的整體尺寸。
連接世界的需求日益增長(zhǎng),推動(dòng)無線系統(tǒng)變得越來越小。能夠?qū)o線鏈接裝入牙刷,甚至是一對(duì)骰子,是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)不斷增加的一部分,而空間是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。然而,對(duì)于無線系統(tǒng)中的小型化存在許多不同的優(yōu)化。短距離,低功耗無線收發(fā)器受益于CMOS制造技術(shù)的擴(kuò)展,現(xiàn)在代工廠供應(yīng)商包括28納米和20納米侵蝕性工藝節(jié)點(diǎn)上的RF庫。這些過程允許2.4 GHz的Wi-Fi或藍(lán)牙收發(fā)器集成在與基帶MAC協(xié)議處理器相同的芯片上,因此可提供幾平方毫米的高性能無線鏈路。例如,德州儀器(TI)的CC3100是采用9 x 9 mm QFN封裝的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理器子系統(tǒng)。除了完全卸載主機(jī)MCU的專用ARM MCU外,該設(shè)備還包括802.11 b/g/n無線電,基帶和帶加密引擎的MAC,可通過256位加密實(shí)現(xiàn)快速,安全的Internet連接。所有這些都減少了物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi節(jié)點(diǎn)的占地面積,CC3100支持Station,Access Point和Wi-Fi Direct模式以及嵌入式TCP/IP和TLS/SSL協(xié)議棧,HTTP服務(wù)器和多種Internet協(xié)議。 》集成電源管理子系統(tǒng)增強(qiáng)了小型化,該子系統(tǒng)包括支持各種電源電壓的集成DC-DC轉(zhuǎn)換器。這實(shí)現(xiàn)了低功耗模式,例如具有RTC模式的“休眠”需要大約4μA的電流,并且不需要占用額外電路板空間的外部電源管理器件。
CC3100器件可以連接到任何8 SPI或UART接口上的16位或32位MCU和器件驅(qū)動(dòng)器可最大限度地減少主機(jī)內(nèi)存占用空間要求,只需少于7 KB的代碼存儲(chǔ)空間和700字節(jié)的RAM用于TCP客戶端應(yīng)用程序,從而減少了對(duì)外部存儲(chǔ)器的需求。
圖1:為德州儀器CC3100集成CPU和無線電,可以縮小Wi-Fi系統(tǒng)的尺寸。
在相對(duì)短距離的應(yīng)用中,通過關(guān)注單個(gè)頻率和單個(gè)協(xié)議使得這種小型化成為可能,但是無線系統(tǒng)中的小型化挑戰(zhàn)通常來自頻帶的多樣性和性能要求。解決性能需求的一種方法是使用多個(gè)天線和多個(gè)信號(hào)鏈,但這已經(jīng)擴(kuò)展而不是減小了解決方案的規(guī)模。在這種情況下,針對(duì)性很強(qiáng)的集成,可以幫助減少多頻段,多標(biāo)準(zhǔn)蜂窩基站分集接收機(jī),MIMO的基礎(chǔ)設(shè)施和寬帶接收機(jī)RF前端的整體規(guī)模。結(jié)果例如,赫梯的HMC1190LP6GE是一個(gè)高線性雙通道下變頻器,集成PLL/VCO,采用6 x 6 mm QFN封裝。它從700MHz到3.5GHz的操作并且特別適用于需要一個(gè)緊湊和低功率解決方案的多標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,點(diǎn)擊結(jié)果,圖2:本HMC1190LP6GE雙通道下變頻器集成減少多通道MIMO基站大小的多種元素。
集成相位檢測(cè)器(PD)和delta-sigma調(diào)制器能夠在高達(dá)100 MHz的頻率下工作。允許更寬的環(huán)路帶寬,PLL/VCO部分可以相位調(diào)整和同步多個(gè)RF設(shè)備,實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的MIMO和波束成形無線電架構(gòu)。附加PLL/VCO功能包括一個(gè)可配置的輸出靜音功能,一個(gè)精確的頻率模式,使這兩種產(chǎn)品,以產(chǎn)生具有0赫茲的頻率誤差和同步改變頻率,而不改變輸出信號(hào)的相位的能力分?jǐn)?shù)的頻率。結(jié)果,與傳統(tǒng)的窄帶下變頻器,HMC1190LP6GE支持所有RF頻率的高端和低端LO注入,集成LO和RF巴倫。這使得能夠控制IF和LO放大器以及偏置控制接口到高線性度無源混頻器內(nèi)核,這種平衡無源混頻器與高線性IF放大器架構(gòu)的結(jié)合提供了出色的LO到RF,LO到IF,以及RF到IF隔離,減少了對(duì)外部濾波器的需求。通過集成可編程RF輸出相位功能,可以輕松同步多個(gè)器件,以構(gòu)建可擴(kuò)展的MIMO和波束成形無線電架構(gòu)。
軟件定義無線電
創(chuàng)新芯片和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)合可以顯著減少無線系統(tǒng)必須支持全球多個(gè)頻率。 Lime Microsystems的LM6002軟件無線電收發(fā)器支持300 KHz至3.8 GHz的任何頻段,包括世界上幾乎所有流行的無線鏈路。
可重配置架構(gòu)允許支持不同類型的協(xié)議,以不同方式配置芯片內(nèi)的ADC,混頻器和濾波器,以創(chuàng)建不同的上行鏈和下行鏈。這樣就不需要為每個(gè)頻段提供單獨(dú)的信號(hào)鏈,從而大大減小了無線前端的尺寸,并為設(shè)計(jì)人員提供了更大的設(shè)計(jì)靈活性。能夠在世界各地出貨并為每個(gè)不同區(qū)域輕松配置的設(shè)計(jì)可以節(jié)省生產(chǎn),測(cè)試和產(chǎn)品管理成本。
能夠在更小的尺寸上實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),大大有助于小型化整個(gè)系統(tǒng)。發(fā)送器和接收器均實(shí)現(xiàn)為零IF架構(gòu),提供高達(dá)28 MHz的調(diào)制帶寬(相當(dāng)于14 MHz基帶IQ帶寬)。在發(fā)送端,來自基帶處理器的IQ DAC采樣通過12位多路復(fù)用并行CMOS輸入電平總線提供給LMS6002D。模擬IQ信號(hào)由芯片上的發(fā)送DAC生成并饋送到TXINI和TXINQ輸入,低通濾波器消除DAC的零保持效應(yīng)產(chǎn)生的偽像。
圖3:LM6002D軟件定義無線電RF前端支持單個(gè)設(shè)備中的大多數(shù)無線頻段。
然后,在TXVGA1中放大IQ信號(hào),并添加DC偏移以抵消來自本地的泄漏振蕩器。然后將IQ信號(hào)與發(fā)送PLL輸出混合以產(chǎn)生調(diào)制的RF信號(hào)。然后,這個(gè)RF信號(hào)被兩個(gè)獨(dú)立的可變?cè)鲆娣糯笃?/u>分離和放大,兩個(gè)片外輸出作為RF輸出提供。
LMS6002D還提供RF環(huán)回選項(xiàng),允許RF信號(hào)反饋到用于校準(zhǔn)和測(cè)試目的的基帶。這通過輔助PA(AUXPA)放大,以增加環(huán)路的動(dòng)態(tài)范圍,同時(shí)也減少了RF前端的整體占用空間。
在接收端,提供三個(gè)獨(dú)立的輸入,每個(gè)輸入都有專用低噪聲放大器(LNA)。在由可編程低噪聲放大器(RXLNA)提升后,信號(hào)與接收PLL(RXPLL)輸出混合,直接向下轉(zhuǎn)換為基帶。產(chǎn)生的模擬IQ信號(hào)在接收ADC中轉(zhuǎn)換為數(shù)字域,并通過多路復(fù)用的12位CMOS輸出電平并行總線提供給基帶處理器。
可驅(qū)動(dòng)尺寸減小的可配置多頻段操作來自兩者發(fā)送器輸出和三個(gè)接收器輸入由一組內(nèi)部寄存器控制,可通過串行端口訪問為了實(shí)現(xiàn)全雙工操作,LMS6002D包含兩個(gè)獨(dú)立的合成器,均由相同的參考時(shí)鐘驅(qū)動(dòng),無需兩個(gè)芯片,有助于進(jìn)一步減少前端的占用空間。
Lime也采用了通過允許設(shè)計(jì)人員訪問LM6002中的各個(gè)組件,進(jìn)一步縮小系統(tǒng)尺寸的機(jī)會(huì)。如果在配置中未使用ADC或?yàn)V波器等元件,則設(shè)計(jì)人員可以訪問這些元件并將其用于設(shè)計(jì)的其他部分,從而避免在電路板上使用額外的元件。例如,通過閉合RXOUT開關(guān)并關(guān)斷RXVGA2,RXOUTI和RXOUTQ引腳可用作IQ ADC輸入。在這種配置中,ADC可用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)外部信號(hào),例如片外PA溫度傳感器或峰值檢測(cè)器。
所有這些都滿足了對(duì)無線系統(tǒng)小型化日益增長(zhǎng)的需求。
結(jié)論
小型化是無線系統(tǒng)中引人注目的趨勢(shì),物聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)了各種設(shè)備對(duì)無線連接的需求。然而,還有許多其他無線應(yīng)用,小型化需要其他工程權(quán)衡,同樣重要。通過使用軟件定義的無線電架構(gòu)可以減小多頻帶系統(tǒng)的尺寸,而MIMO架構(gòu)和天線分集可以提高各種基站的性能,其中集成選項(xiàng)非常不同。這與功耗,干擾和同步相平衡,突出了RF系統(tǒng)持續(xù)小型化的挑戰(zhàn)。
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