MAX2701及其在卫星接收机中的应用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网 关键字:卫星  卫星接收  接收  接收机
摘要:介绍了用于直接下变频(零中频)接收机的解调芯片MAX2701的主要特点和功能,并给出了它在卫星接收机中的典型应用。 关键词:MAX2701 芯片 直接下变频 卫星接收机 随着无线通信技术的迅猛发展,面向专用系统的射频集成芯片的种类越来越多,集成度越来越高。从某种意义上讲,一个完整的无线通信系统射频模块的构建过程,已经变成对适合芯片的选择与使用的过程。因此,射频系统性能的优劣很大程度上取决于所选核心集成芯片的性能。MAX2701是笔者在设计一种卫星通信接收机过程中所使用的一款美信公司用于直接下变频接收机的射频芯片。本文在介绍这款芯片特点的同时,将围绕它在卫星接收机中的具体应用做详细介绍。 图1 MAX2701的功能模块图 1 美信MAX2701零中频接收解调芯片 1.1 概述 MAX2701是一款用于零中频结构的正交调制解调芯片,它是专为2.1GHz~2.5GHz的宽带无线局域网系统设计的。零中频结构接收机在系统中不存在中频IF(Intermediate Frequency),因而避免了镜像干扰,节省了镜像滤波器的设计成本;同时,它免去了中频变频模块和中带通滤波器,大大简化了整个接收机的设计,节约了成本,易于高度集成化和小型化。 1.2 基本模块 MAX2701主要由五个功能模块组成:低噪声放大器LNA、正交下变频器、基带可控增益放大器、基带增益平衡调控电路和偏置电路。其功能模块图如图1所示。 低噪声放大器LNA模块由一个单端输入、增益可调放大器实现,它的噪声系数电源电压+3V时为2.3dB;正常工作状态下增益达16dB。 正交解调模块将射频信号直接下变频到基带,解调出I/Q两路信号。信号的放大和滤波主要集中在基带进行,对于放大器的设计和高Q值滤波器的实现都很有利。同时,中频声表面波滤波器SAW和中频本振模块的节省,大大简化了系统的复杂性,降低了成本,缩短了开发周期。 图2 卫星接收机模块简图 解调模块包括:两个线性度很高的双平衡混频器; 一个本振可选倍频模块、本振正交变换模块、基带I/Q缓冲放大器。 基带可控增益放大器的设计在MAX2701中独具特色,它对I/Q两路信号分别采用了总增益80dB、可控增益达60dB的两级增益可调放大器。第一级是一个级联差分输入单端输出的宽带放大器,它的设计目标是在高增益状态下的低噪声、低功耗以及高线性度;第二级也是一个多级差分输入单端输出的宽带放大器。在这两级之间通过外接的滤波器可以构成频道选择滤波器,从而达到抑制邻道功率的作用。 I/Q增益失配矫正模块是针对直接下变频接收机结构的增强措施。I/Q两路基带信号会因为例如信道特性不同、本振信号相移误差等诸多因素导致增益的不平衡。这将导致解调I/Q星座图上点迹混沌、EVM值增大、误码率升高,严重影响解调性能。MAX2701的I/Q增益失配矫正模块首先比较I/Q两路信号在最终输出端的幅度, 其误差信号通过一个微分反馈网络,调节两级放大器的增益控制电路。动态调节两路信道的增益,从而补偿了前两级放大器增益的不平衡。此外,它对两路信道低通滤波器的插入损耗的失配同样能够起到平衡作用。 在MAX2701芯片中还设计了增益可调放大器的偏移调控电路。它通过一个内置的偏置矫正反馈放大器消除增益可调放大器的直流偏移。在放大器的增益达到饱和状态时,直流偏移会影响放大器的工作点而影响非线性性能。在偏移调控电路中的时间常数会影响芯片的上电时间,所以在对上电时间要求比较严格的情况下,可以通过外接交流短路电容来禁用偏移矫正功能。 MAX2701采用3V的低电压供电,正常工作状态下功率不超过0.5W,关断状态下功耗降低至60μW。基带I/Q两路信道带宽更是达到56MHz,使它的适用范围较为广泛。其适用的系统包括: 1无线本地环路,无线局域网; 2宽带直接序列扩频系统; 3双向MMDS; 4宽带2.4GHz ISM频段无线电系统; 5数字微波系统。 表1中列出了MAX2701的主要参数和性能指标。 表1 MAX2701的主要参数和性能指标 电源电压 +2.7V~+3.3V 混频增益 18dB 工作电流 160mA 双边带噪声系数 12.8dB 工作频率 2100MHz~2500MHz 基带带宽(-1dB) 26MHz LNA NF 2.3dB 基带带宽(-3dB) 56MHz LNA 增益 16dB 本振动率范围 -16~-10dBm 输入TOI +3.8dB 基带电压增益 40dB 2 应用实例 在实际项目的设计中,笔者使用MAX2701作为核心芯片,构建了一种用于卫星通信的接收机,整个接收机系统的功能模块简图如图2所示。 卫星接收机是无线通信系统中一种常见的接收装置,它最主要特点是对接收灵敏度的要求很高。在本系统设计中,低噪声放大器采用了片外独立的模块,以期获得最好的噪声系数特性。通过对样机的实测,系统中的LNA的噪声系数达2.0,优于MAX2701片上LNA的噪声特性。与此相适应,系统对本振频率相位噪声、频率稳定度等指标的要求也很高。它采用了Silicon的一款高性能的单片集成频率合成芯片。通过实测,其本振信号的特性完全达到了系统要求。 此外,本系统要求高度小型化,采用以MAX2701为核心芯片的零中频结构,能最大程度地减小接收机的体积。图2中虚线框内的模块就是由MAX2701实现的,由此可见,其集成度是很高的。 2.1 MAX2701芯片应用 由于MAX2701采用了小48脚的TQFP-EP封装,体积很小,高频端的布线必须考虑射频干扰。在本项目中,舍弃了片中LNA的使用。这无疑给布线带来了方便,同时减轻了避免射频干扰对布线带来的压力,这也是为提高调试成功率所采取的措施之一。接收的射频调制信号经过低噪声放大器和高Q值带通滤波器以后,需要作单端-平衡变换后馈入MAX2701混频器前端buffer的平衡输入端。如果采用Balun线,一方面增加成本,另一方面占用宝贵的版图布线空间,且易于引进串扰。在本系统中,射频链路上的增益已经能够满足设计要求,对省去Balun线而引起的3dB增益损失有足够的储备。因此系统采用了最直接的单端馈入。 在射频电路调试中,各级放大器、滤波器的匹配是一项很重要的工作。首先必须对LNA和MAX2701的隔离放大器输入端进行50Ω匹配;其次,在MAX2701的基带处理部分,它的I/Q两路两级4个放大器的输出阻抗都很小,只有几个欧姆,而输入阻抗在2kΩ的量级上。在设计低通滤波器时,这些都必须考虑到。 在对本振信号的选取上,虽然MAX2701内部有一个可选的倍频模块,基频本振仍然是首选。MAX2701集成倍频模块,主要是考虑到通过倍频功能来降低系统本振的频率,减轻本振设计的压力。但是这种倍频方案的主要缺点是MAX2701芯片内部的倍频电路的非线性会恶化本振信号的相位噪声,这样相当于又对本振信号的相位噪声提出更高的要求。同时,倍频非线性会产生更高次谐波,使得系统的功率效率降低,为电路提供了潜在的谐振点,影响稳定性。此外,MAX2701的数据手册上所给出的实测数据显示,在本振信号频率超过1.2GHz后采用本振倍频方案的本振——射频信号隔离度要比本振基频方案恶化近10dB。而本系统的频率恰恰就在此范围,所以采用了基频本振的方案。 为了尽量减小版图尺寸,选用0402封装的电感电容元件。但是,元件尺寸的减小,一方面使得高频性能恶化,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。同时,对于手工调试来说,元件过小不利于频繁更换,焊盘太小也很容易受热脱落,造成整个电路板的损坏。在设计中,绝大部分基本元件采用了0603封装,但是在对器件高频性能要求较高的射频交流馈线电容,以及低通滤波器中要求有较大电感值的地方,仍旧采用0805封装的贴片元件。从最终调试结果来看,效果很好。 在调试过程中,发现芯片腹面有一块1公分见方的接地散热焊盘,它能否良好接地对芯片的正常工作影响很大。为了确保良好接地散热,建议在这个焊盘正对的电路板上做如图3所示的梅花通孔。在芯片焊上后,再从背面滴注焊锡,达到良好接地。实际调试结果证明,这样的处理方法很有效。 2.2 低通滤波器设计 I/Q两路基带信号被解调出后,必须通过各自的低通滤波器进行低通滤波。低通滤波器的带宽由基带调制信号的特性决定。在本系统中,对基带接收滤波器的定义为通带3.5MHz-3dB在6MHz时衰减30dB,它是由一个4阶巴特沃思低通实现的。电感和电容都采用了典型常用值,并使用0805的较大封装。基于MAX2701的布局使得I/Q两个基带的通道位于芯片的对边,且引脚细密,如果直接把设计的4阶低通滤波器接入第一级或第二级放大器后,板上布线将比较困难,信号线将绕行或经通孔转到背板通行。这就有可能使系统中基带解调信号与其它RF信号产生串扰从而使性能受到影响。为了避免这种可能性,在实现这个低通滤波器时,采用了级联等效方法,用两个2阶低通来等效所需的4阶低通滤波器。在HP Agilent's ADS2000中对这样的级联设计进行了仿真,图4是仿真结果和实测结果。 图5 样机低通滤波器频率响应 通过对样机的测试实验,系统的主要性能指标,例如灵敏度、噪声系数、增益、带宽等都达到了设计要求,如图5所示。 美信公司MAX2701是一款工作在ISM频段的高性能高集成的接收机芯片。它直接给出了RF——基带的解决方案,大大简化了接收机的结构设计,缩短了产品开发周期,降低了成本。目前,在无线移动终端设备中得到了越来越广泛的应用。 一种用于卫星接收机的射频前端的设计也在文中给出。主要围绕MAX2701的应用介绍了该系统射频模块的设计和调试。对基带低通滤波器的设计仿真和实测结果取得了较好的一致性,并且接收机的其它参数都达到了系统设计的指标要求。

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