杭州城芯科技有限公司全正向研發(fā)的CX9261是一款寬帶、高性能、多通道射頻收發(fā)器，基于軟件無線電理念設計，片內(nèi)集成了射頻收發(fā)器所需的RF、ADC/DAC以及數(shù)字上下變頻等電路，極大地減少了射頻鏈路設計的復雜度，系統(tǒng)集成度高，功能替代AD9361。該射頻收發(fā)器已廣泛應用于智能終端、數(shù)據(jù)鏈以及毫微微蜂窩/微微蜂窩/微蜂窩基站等無線通信系統(tǒng)中。

       對于超短波電臺等帶寬只有幾十kHz的應用場景，CX9261射頻收發(fā)器接收機內(nèi)部集成的模擬混頻濾波器采用多階巴特沃斯等有源RC濾波無法提供極好的帶外抑制。同時采用零中頻架構實現(xiàn)的窄帶通信系統(tǒng)，其輸出信號頻率會受1/f噪聲影響，需要對1/f噪聲進行處理。本文提出了基于CX9261射頻收發(fā)器實現(xiàn)窄帶通信系統(tǒng)方案。

器件功能

       CX9261射頻收發(fā)器集成低噪放、上/下混頻器、多模濾波器、自動增益控制、直流偏移對消、功率強度檢測、ADC/DAC、驅動放大器、電源管理、小數(shù)分頻頻率綜合、邏輯控制、抽取/插值濾波、數(shù)字下變頻和自動校準等功能，具有通用化設計、寬頻帶覆蓋、寬窄帶信號兼容、低功耗等特點。

       器件通道1和通道2的工作頻率范圍為70MHz~2.7GHz，通道3工作頻率范圍為1.2GHz~1.8GHz，片內(nèi)可調(diào)諧帶寬為20kHz至60MHz。

       器件的接收通道采用直接變頻架構，由低噪聲放大器、混頻器、可編程增益放大器、帶寬可變?yōu)V波器和高速高精度16位ADC組成。器件的接收通道具有校準功能，噪聲系數(shù)小，鏡像抑制性能高，有利于提高接收通道的射頻性能，16位的ADC具有較大的動態(tài)范圍。

       器件的發(fā)射通道采用直接變頻架構，由混頻器、可編程增益放大器、帶寬可變?yōu)V波器和高速高精度16位DAC組成。器件的發(fā)射通道同時具有本振泄露校準、IQ正交校準，能夠很好的抑制本振泄露和鏡像干擾，雜波抑制度高，射頻性能優(yōu)越。

       器件的本振和時鐘都采用小數(shù)分頻PLL，能夠更好的適合各種應用場景。同時器件還提供了外部本振的輸入接口，有效降低多器件應用的相位偏差。

       器件的供電為2.5V和1.3V，在2.7GHz頻率、單收單發(fā)FDD模式下滿功率工作條件下，功耗小于1W。

       器件為塑封BGA289pin，15mm×15mm。

       器件功能框圖見圖 1。

圖1 CX9261射頻收發(fā)器功能框圖

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性能分析

       在窄帶通信系統(tǒng)應用中，CX9261射頻收發(fā)器的性能優(yōu)勢主要體現(xiàn)在低噪底、線性度和相位噪聲等三個方面。

1)    CX9261射頻收發(fā)器OIP3為35dBm；

2)    CX9261射頻收發(fā)器接收機中的ADC為16位，比行業(yè)內(nèi)零中頻架構射頻收發(fā)器12位寬多4比特，相應地噪底優(yōu)12dB；

圖2 射頻收發(fā)器輸出噪底比較

3)   CX9261射頻收發(fā)器內(nèi)部PLL模塊的窄帶相位噪聲性能優(yōu)異，本振相位噪聲見表1。

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窄帶通信方案

       窄帶通信方案如圖3所示：CX9261射頻收發(fā)器先將外部輸入的模擬信號混頻到ADC采樣鐘1/32（可選）的中頻上，由于該中頻信號遠離零頻，避免了1/f噪聲影響，然后通過數(shù)字混頻將信號二次變頻到零中頻，最后通過數(shù)字FIR濾波器濾除鄰道干擾信號。

       接收機鏈路設計要求如下：

1)    接收鏈路設計中，需確保干擾音不能讓ADC溢出，ADC滿擺幅功率為6dBm；

2)    在噪聲系數(shù)可接受的范圍內(nèi)，接收鏈路模擬增益盡量小，解調(diào)幅度不夠通過數(shù)字增益補償。

3)    為發(fā)揮CX9261的噪底性能，CX9261射頻收發(fā)器模擬鏈路最大增益建議配置低于30dB，系統(tǒng)射頻鏈路（含射頻前端）最大增益不大于（45~50）dB。

圖3 CX9261窄帶通信系統(tǒng)架構

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射頻前端鏈路

       當射頻前端鏈路只有低噪聲放大器時，此時需考慮低噪聲放大器模塊所需達到的線性度指標要求，射頻前端鏈路見圖4，鏈路預算見表2：

圖4 CX9261射頻前端匹配電路

系統(tǒng)鏈路預算如下：

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模擬增益控制

        當接收鏈路增益為45dB~50dB時不會影響輸入信號靈敏度，但如果輸入信號或者干擾信號絕對能量過大時，則需要通過調(diào)整模擬鏈路增益來確保整個接收鏈路中不出現(xiàn)信號溢出。比如在模擬輸入信號能量為-30dBm時，正常情況下為保證線性度需將接收鏈路的模擬增益調(diào)整為30dB左右，但此時如果該-30dBm的大能量信號為鄰道干擾信號，則此時基帶射頻收發(fā)器就難以通過判斷輸入能量來調(diào)整模擬通道增益，因為此時鄰道干擾信號已經(jīng)污染了有用信號，但其本身被后級的數(shù)字濾波器濾除，導致基帶電路無法通過計算其真實能量來調(diào)整模擬鏈路增益。

        基于上述原因，CX9261射頻收發(fā)器內(nèi)部混頻器輸出內(nèi)置有峰值檢測模塊，通過判斷混頻器的輸出能量來實現(xiàn)對射頻輸入信號的能量檢測，用戶可通過CX9261射頻收發(fā)器的GPIO接口來獲取當前混頻器的輸出能量值，用于模擬鏈路增益的調(diào)整。峰值檢測電路輸出碼字與混頻器輸出能量之間的真值表見表3：

表3 CX9261峰值檢測模塊輸出真值表

       在對信號動態(tài)范圍要求很高的場景中，比如最大輸入信號能量大于-15dBm時，系統(tǒng)需要將整個接收鏈路增益調(diào)整至20dB以下，此時就需要射頻前端電路具備旁路功能。同時考慮到噪聲和線性度的折中，可按下圖的增益分配完成整個模擬通道的增益設置，最終將輸入至ADC的輸入調(diào)整至（-3~1）dBm，以實現(xiàn)最優(yōu)的線性度，見圖5所示。

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性能測試

       圖6為偏離中心頻率128kHz，信號輸入能量為-90dBm，通道增益設置為30dB，沒有干擾信號的情況下CX9261射頻收發(fā)器接收通道的測試頻譜圖，I（Q）路信號輸出信噪比為17.9dB，等效復數(shù)信噪比為20.9dB，SNR=85.65dBFS。

圖 6　接收鏈路小信號輸入測試

       圖7為偏離中心頻率128kHz，信號輸入能量為-90dBm，偏中心頻率512kHz處有能量為-30dBm的干擾信號輸入，通道增益設置為30dB情況下的CX9261接收通道的測試頻譜圖，I（Q）路信號輸出信噪比為13.2dB，等效復數(shù)信噪比為16.2dB。

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結論

       CX9261射頻收發(fā)器通過合理的鏈路預算分配，確保射頻鏈路工作在線性條件下，利用模擬低中頻和數(shù)字零中頻解決方案，避免1/f噪聲影響，同時利用數(shù)字濾波器實現(xiàn)較強的窄帶鄰道干擾抑制能力。