射頻收發(fā)芯片SMI7035的原理與應(yīng)用

１　引言

WiMAX全稱World Interoperability for Microwave Access，即全球微波接入互操作性。WiMAX的另一個(gè)名字是IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)，或廣帶無(wú)線接入(Broadband Wireless Access，BWA)標(biāo)準(zhǔn)。它是一項(xiàng)無(wú)線城域網(wǎng)技術(shù)，是針對(duì)微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。Sierra Monolithics公司推出的雙頻段單片收發(fā)器SMI7035，適用于面向BWA應(yīng)用的低成本CPE（用戶終端設(shè)備），支持WiMAX產(chǎn)品。

2　芯片主要性能特點(diǎn)[1]

●工作頻帶范圍：3.3 ～3.8 GHz 或 2.3 ～2.7 GHz 。

●高接收靈敏度（-100 dBm），并且具有不小于75db的增益控制。

●發(fā)送器提供55dB的增益控制范圍。

●雙頻段轉(zhuǎn)換；

●集成兩個(gè)頻率合成器

小數(shù)分頻頻率合成器：頻率間隔為125 kHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于90μs。

    整數(shù)分頻頻率合成器：頻率間隔為2 MHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于90μs。

●通過(guò)串行接口（SPI）與控制微處理器的接口進(jìn)行連接；可以靈活配置收發(fā)頻率等參數(shù)。

●電壓供電采用+5V 和+3.3 V。

●1.73瓦的低功耗設(shè)計(jì)。

●提供接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）。

●采用48 pin QFN封裝，外形尺寸只有7×7mm。

3  芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SMI7035芯片主要分為接收機(jī)，發(fā)射機(jī)，接收信號(hào)強(qiáng)度指示電路，頻率合成器等幾個(gè)部分。

3.1 接收機(jī)部分

接收機(jī)采用二次變頻的外差式方案，首先，射頻信號(hào)由管腳RX_RF進(jìn)入，通過(guò)低噪聲放大器，利用帶通濾波器濾波后，進(jìn)入鏡頻抑制混頻器，與來(lái)自小數(shù)頻率合成器的本振信號(hào)混頻，得到高中頻信號(hào)（高中頻信號(hào)頻率等于接收信號(hào)頻率和本振頻率的差），由片外的聲表面波濾波器選出穩(wěn)定的456MHz高中頻信號(hào)，穩(wěn)定的高中頻信號(hào)進(jìn)入第二個(gè)鏡頻抑制混頻器與來(lái)自整數(shù)分頻頻率合成器的本振信號(hào)混頻，由濾波器濾波后選出低中頻信號(hào)（頻帶為32～62 MHz，頻率間隔為2 MHz），經(jīng)過(guò)放大，濾波，自動(dòng)增益控制，通過(guò)管腳RX_IF_P和RX_IF_N差分輸出[2]。

3.2 發(fā)射機(jī)部分

發(fā)送的數(shù)據(jù)由TX_IF_P和TX_IF_N兩引腳進(jìn)入芯片,通過(guò)放大器后，進(jìn)入鏡頻抑制混頻器與來(lái)自整數(shù)分頻頻率合成器的本振信號(hào)混頻，通過(guò)片外的聲表面波濾波器濾波后得到中頻信號(hào)，中頻信號(hào)進(jìn)入片內(nèi)鏡頻抑制混頻器與來(lái)自小數(shù)分頻頻率合成器的本振信號(hào)混頻，得到發(fā)射信號(hào)，經(jīng)過(guò)增益控制，高功率放大器放大后的射頻信號(hào)最終被調(diào)制到3.3～3.8 GHz 或 2.3～2.7 GHz，由管腳TX_RF輸出到天線發(fā)射出去。

3.3 接收信號(hào)強(qiáng)度指示電路（RSSI）

接收信號(hào)強(qiáng)度指示器的輸出電壓是對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行處理得到的直流電壓，其電壓大小和接收到的信號(hào)強(qiáng)弱成正比。RSSI信號(hào)可用作故障檢測(cè)、收發(fā)中的握手信號(hào)以及射頻通道的選擇信號(hào)。

3.4 頻率合成器

頻率合成器由整數(shù)分頻頻率合成器和小數(shù)分頻頻率合成器組成。

3.4.1整數(shù)分頻頻率合成器（基于電荷泵鎖相環(huán)）

圖1 整數(shù)分頻頻率合成器結(jié)構(gòu)

在鎖相環(huán)路輸入端無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，壓控振蕩器按固有頻率運(yùn)行，當(dāng)環(huán)路輸入端有信號(hào)輸入時(shí)，鑒頻鑒相器對(duì)輸入信號(hào)的相位和壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位進(jìn)行比較，然后輸出一個(gè)代表兩信號(hào)相位差的誤差信號(hào)。鑒頻鑒相器輸出信號(hào)將控制電荷泵電路對(duì)環(huán)路低通濾波器充放電以形成對(duì)壓控振蕩器的控制電壓，該控制電壓與鑒相誤差成正比，從而迫使壓控振蕩器的相位(頻率)朝減小鑒相誤差的方向改變。最終當(dāng)鎖相環(huán)鑒相輸出誤差為零時(shí)，就表示鎖相環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。此處的分頻器的分頻值是整數(shù)，所以叫整數(shù)分頻頻率合成器。整數(shù)分頻頻率合成器輸出信號(hào)的頻率一定是參考輸入信號(hào)頻率的整數(shù)倍，輸出信號(hào)之間的最小頻率間隔等于參考輸入信號(hào)的頻率，而這一點(diǎn)也正是整數(shù)頻率合成器的局限所在[3]。

3.4.2 ∑-△調(diào)制小數(shù)分頻鎖相頻率合成器[4-5]

圖2 小數(shù)分頻鎖相頻率合成器結(jié)構(gòu)

圖2中N代表分頻比的整數(shù)部分，F(xiàn)代表分頻比的小數(shù)部分。小數(shù)分頻頻率合成器的輸出信號(hào)頻率不必是參考信號(hào)頻率的整數(shù)倍，而可以是參考信號(hào)頻率的小數(shù)倍，輸出信號(hào)的最小頻率間隔由參考信號(hào)頻率和小數(shù)分頻頻率合成器的分辨位數(shù)決定。與整數(shù)頻率合成器相比,小數(shù)頻率合成器可以采用頻率較高的參考信號(hào),從而獲得較大的系統(tǒng)環(huán)路帶寬和較小的調(diào)整時(shí)間,同時(shí),也可以得到較高精度的輸出頻率；另一方面,理論上,保持輸出信號(hào)頻率不變的情況下,提高參考信號(hào)的頻率,可以有效地降低輸出信號(hào)的相位噪聲,而小數(shù)頻率合成器可以使用較高頻率的參考信號(hào),因此,可以獲得更好的相位噪聲性能。在典型的小數(shù)分頻鎖相頻率合成器中，小數(shù)分頻比是通過(guò)在M個(gè)參考周期內(nèi)進(jìn)行a次N分頻和b次N十1分頻來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常采用相位累加器的溢出來(lái)控制程序分頻器的除N或除N+1工作模式，以實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻。

圖3 數(shù)字一階∑-△調(diào)制器結(jié)構(gòu)

∑-△調(diào)制技術(shù)來(lái)自高分辨率的A/D, D/A變換器中的過(guò)采樣轉(zhuǎn)換技術(shù)，其工作原理為:在對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣后，噪聲功率譜幅度降低，通過(guò)一個(gè)對(duì)輸入呈低通，對(duì)量化噪聲呈高通的噪聲整形器，將量化噪聲功率的絕大部分移到信號(hào)頻帶之外，從而可通過(guò)濾波有效地抑制噪聲。小數(shù)分頻頻率合成器中相位累加器的等效模型與數(shù)字一階∑-△調(diào)制器相比較，可以證明兩者的等效性，所以可用數(shù)字一階∑-△調(diào)制器代替相位累加器實(shí)現(xiàn)∑-△調(diào)制小數(shù)分頻鎖相頻率合成器。利用∑-△調(diào)制技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的小數(shù)分頻頻率合成器的量化誤差進(jìn)行處理，把小數(shù)分頻器產(chǎn)生的相位雜散轉(zhuǎn)換為高通形相位噪聲，再利用環(huán)路低通濾波特性予以濾除，從而獲得任意小的頻率分辨率、極低的相位雜散。

４ 應(yīng)用電路

圖4所示是芯片的應(yīng)用電路。射頻輸入／輸出匹配電路主要用來(lái)匹配芯片的輸入輸出阻抗（輸入/輸出為50Ω/200Ω），同時(shí)為芯片內(nèi)部的PA(功率放大器)及LNA（低噪聲放大器）提供直流偏置。

圖4  SMI7035典型應(yīng)用連接圖

5  結(jié)論

SMI7035是一款性能優(yōu)良的射頻收發(fā)芯片，應(yīng)用于WiMAX無(wú)線通信的頻帶部分，與WiMAX基帶處理芯片配合使用，可以實(shí)現(xiàn)WiMAX無(wú)線通信。

本文創(chuàng)新點(diǎn)： SMI7035采用的∑—△調(diào)制技術(shù)的小數(shù)頻率合成器， 解決了頻率分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間的矛盾，并且可以獲得任意小的頻率分辨率、更好的相位噪聲性能。