單芯片無線電通信系統設計

單芯片無線電通信系統是將發射機、接收器、放大器、電源管理組件以及其他一些基帶邏輯電路綜合成一個單一芯片的單晶片裝置，單芯片無線電的實現是由于深亞微米CMOS技術的迅猛發展。由于它體積小，低功耗，可以很方便地嵌入到非常小的或者是便攜式的電子產品中。又由于使用了CMOS技術，使其成本低，同時因所有電路組件都在一塊芯片上，與用PCB板設計的電路相比，設計的最終產品有更高的可靠性。

　　在單芯片無線電通信中最重要的組成部分是發射和接收，被稱為短收發。在發射方，由邏輯電路產生一個低頻的基帶信號，首先由一個混合器調制到適當的頻率(上轉換)，然后信號經功率放大器(PAS)增強后由天線輻射出去。

　　在接收方，天線接收到信號，通過低噪聲放大器(LNAs)，最后被混頻器調制，這次是降低信號的頻率，稱為下轉換。將發射機和接收機雙方結合在一個單芯片上，必須有一個允許天線發射和接收信號的開關，并且要落實隔離技術，以確保獨立的電路不互相干擾。

　　1 收發器的結構

　　一個發射加上接收的收發器，發射機送電信號經天線進入大氣層，如果想得到非常高的頻率，比如大于1 GHz時，發射機將采用連續的上變頻來達到正確的頻率。但是，如果所需的頻率很低，例如100 MHz以下，那么發射機往往用一個直接轉換方法，或是單上變頻。

　　直接轉換，又被稱為零中頻調制。在設計中采用直接轉換的優點在于這種方法能提供更好的噪聲特性，使發射機不再需要大體積的濾波器，否則它將占去單芯片過大的體積。但如果基帶和載波頻率不同量級，混頻器的設計就變得更加困難。所以，當芯片采用調幅/調頻無線電通信時，應該采用直接轉換方案;當它被用于GSM或WLAN的解決方案時，將用連續的上變頻，以達到正確的頻率，這也增加了系統的復雜性。

　　1.1 混頻器

　　混頻器是一個為調制信號頻率的電路，在無線電應用中，混頻器在基帶頻率和載波頻率之間轉換電信號，兩路信號驅動混頻器，輸出的信號是兩個輸入信號相乘。當通過混頻器時，輸入和振蕩器信號將成倍增加，并且能計算出來。混頻器實際上是兩個信號的乘法電路，線性代數的一個簡單性質證明，任何信號都可以用傅里葉級數描述，任何信號都是不同頻率的正弦曲線的總和。因此每個信號可以用正弦曲線表示，這是數學三角函數特性引起的頻率的加和減。比如，輸入V1和V2，并使它們通過一個混合器，V1的形式為V1=cosω1t，V2的形式為V2=c-osω2t，對傅里葉級數來說，ω1和ω2是信號的頻率，t是時間變量。

　　兩個信號的乘式為：

　　因此，其輸出頻率是由輸入頻率的相加和相減兩個部分組成。在實踐中，濾波是用來去除不想要的正弦頻率分量。在先進的工程設計中，能將濾波器包含在混頻器中設計，從而避免大體積的濾波器，這是單芯片無線電通信考慮的一個重要因素。

　　1.2 低噪聲放大器(LNA)

　　低噪聲放大器(LNA)是一個旨在限制雜散信號的放大器，它常用在無線電收發機的接收部分，并且非常靠近天線。在大多數情況下，接收機天線接收到的微弱的射頻信號將包含一些雜散信號，因此，降低噪聲對接收機非常重要。根據Friis公式對于噪聲的描述，接收機的全部噪聲指數由最初級所控制，因此，將低噪聲放大器放在接收部分的前級，以提高信號的抗干擾能力。采用低噪聲放大器，后面各級噪音隨著LNA的增加而減少，而LNA的噪聲直接注入到信號中。因此，當存在少量噪聲和失真時，加入低噪聲放大器，以增強有用信號功率是必要的。而信號可在系統的后級得到恢復。為了產生適當增益，可以將幾個LNA串聯起來工作。

　　1.3 功率放大器(PA)

　　功率放大器是一個保持電信號波形不失真情況下增加其功率的電路。功率放大器被用于發射機部分，并放在天線的附近。信號經過功率放大器送到天線，發送到外界環境中，由另一個無線電接收裝置接收。功率放大器也可串聯，以產生與1 W相似的所需功率，它們取決于無線電信號發送的范圍。

　　1.4 天線

　　單芯片無線收發裝置設計的另一關鍵部分是天線。為了使整個系統規模較小，許多現代的單芯片無線解決方案使用片上天線代替分布式天線。在半導體基板上的天線制作是在高阻硅襯底上制造95 GHz的IMPATT二極管振蕩器的芯片集成天線，和在砷化鎵基板上制造43.3 GHz IMPATT二極管振蕩器的芯片集成天線。高阻硅襯底也被用來制造基于天線操作范圍在90～802 GHz的微型機電系統(MEMS)。

　　除了襯底兼容性以外，要降低成本，天線必須利用主流硅技術上的導體和絕緣層制作。目前，金屬層可以是8～9層，厚度介于0.5～2μm之間。導體可以采用鋁或銅，該絕緣層分離導體是由于二氧化硅厚度介于0.5～1 μm之間的變化引起。芯片天線可以用來在集成電路內部以及外部自由空間通信，信號的傳播是在傳播介質中以光速傳播，但在無線互連網中使用的芯片天線不需要光學元件，因為其難于集成。