無線系統(tǒng)小型化的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)

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。