GSM手机接收设计的关键技术

    摘要：本文介绍GSM手机接机的设计技术。重点介绍LNA和VCO环路在整个接收机的作原理、设计方法和特性指标。在LNA部分，设计关键是灵敏度、动态范围和线性度之间的平衡设计思想；在VCO环路部分则强调了相位噪声对整机性能的影响和如何设计才能有效降低环路相位噪声。

    关键词：LNA VCO GSM手机

以GSM为代表的无线电话近年来得到了广泛的应用。GSM 手机的设计也就成了热门话题。但是，目前国内设计水平还不高，很多厂家只是做国外公司的OEM。本文将结合一些已经批量生产的产品中的实例介绍如何设计GSM手机的接收机部分。

    GSM的接收机包括天线、LNA、下变频、解调、解码和D/A 等。由于现代通讯机的集成度较高，一般从下变频开始都主要由IC厂家完成。并且，对于GSM接收机而言，设计难点主要在LNA的设计和VCO环路的设计。因此，本文仅仅介绍在GSM手机的设计过程中，LNA和VCO的考虑。

LNA设计

    GSM手机接收机部分的前端的框图示于图1。

    LNA(低噪声放大器)的设计是以整机在尽可能大的信号范围和尽可能复杂的信号环境中都能够良好的接收基站下行的信号为原则的。LNA设计的好坏反映在指标上就是在变化的环境下的灵敏度、线性度和动态范围。

    由于现在的GSM手机LNA一般都集成在下变换器内，所以一般情况下，如果选定了下变换器就选定了LNA。则LNA的设计就变成了LNA输入电路的设计。手机灵敏度一般用相对于BER（误码率）的信号电平来表示。由于中频和基带对整机灵敏度的影响是相对固定的，所以这个电平值和灵敏度是一一对应的。而且，由于GSM手机传送的是数字化信号，所以BER更能反映整机的接收性能。

    影响灵敏度的主要因素有二：1）从天线到LNA输入电路的信号衰减；2）从天线到LNA输入电路的引入噪声。如果中频和基带是理想的变换器，则前端信号的衰减不会影响灵敏度。但是任何一个实际的系统都是非理想的，所以前端信号过大的衰减都会降低灵敏度。降低前端对信号的衰减需要做电平匹配。而减小前端的引入噪声需要做噪声匹配。在绝大多数情况下，电平匹配点和噪声匹配点不是同一个点。它们有各自独立的响应函数，所以要在这两项指标之间寻求到一个平衡点。具体插入损耗多大，引入噪声优化到什么程度才可以接受，决定于系统设计。

    像所有的接收机一样，线性度非常的重要。如果接收机的线性度太差，就会产生很多的交调频率分量。如果这些交调分量的一项或多项落在接收的通带内，则这些信号很有可能将接收机推离正常工作状态而使得整机接收能力下降或无法工作。

    线性度可用谐波抑制比和交调抑制比来表示。各种器件和不同的器件组合方式对谐波抑制比和交调抑制比的响应是不一样的。同一器件或同一组合在不同的频率范围其谐波抑制比和交调抑制比也是不一样的。一般来说，有源器件的线性度最差，高Q值的器件线性度较差。所以，在实际设计时，都需要建立对应的电路模型来优化，使整个系统的谐波抑制比和交调抑制比限制在一定的范围内。

    如果信号的强度超出了接收机的动态范围，接收机会被强信号阻塞,使整机的性能下降或无法工作。GSM标准要求信号的范围是从-102dB 到-48dB。在实际情况下，动态范围有可能更大。虽然LNA器件本身有一定的自适应能力，但是，这样大的动态范围如果仅仅依靠LNA电路的自适应来调节，则会大大提高接收机的成本。在实践中，都是采用软硬件结合的方式(如图1所示）。即在LAN的输入后加入可编程的衰减器。当输入信号过强，则自动打开衰减器。

    除了在标准条件下的灵敏度、线性和动态范围的仿真外，由于GSM手机的工作环境条件变化比较大，还需要做不同条件下，器件或模块的灵敏度、线性和动态范围的灵敏度分析。使得整个系统在各种不同的条件下都能良好的工作。在做这些分析时关键是建立合适的仿真模型。对相关理论有良好的理解并具有相关的经验是建立合理的模型的基础。图2是一个实用的LNA部分输入电路模型。

    建立了合适的电路模型之后，不同的参数的仿真就是不同的因变量和自变量的分析。图3是这个电路的噪声在不同频率下的特性曲线。由图可见，在 1.8GHz 左右，即PCS频段，其噪声特性较好。

    在这个例子中，将匹配电路的这部分当作一个二端口来看待。之所以这样做的原因是二端口网络有成熟的理论和很多分析方法。可以借助于这些分析方法很方便的来分析系统特性。

    在实际的物理电路分析时，建议先逐级分析。再将各个部分级连做系统优化。即先对各个部分做特性分析，在此基础上，再将各个部分级连起来做总的特性分析。这样可以避免过多的变量。可以有效的降低难度和节约时间。

    如果总的特性不能符合要求，则需要重复前面的过程，直到符合要求为止。

    噪声、电平匹配、线性度及对应的灵敏度分析方法类似。唯一不同的是在做不同特性分析时，需定义不同的因变量和自变量。

    除了电路传导特性的分析以外，辐射分析和热分析也必不可少。

    在PCB板上完成了设计之后，最好再做一次在线仿真，以确保设计质量。

VCO环路设计

    从原理上说，VCO(压控振荡器）的设计非常简单，VCO的基本功能是产生一个载波。只要振荡器有足够的可调带宽来覆盖所有的频率范围就足够了。要做到一个能“跑”的VCO环路是非常容易的。但在实际应用上，往往对VCO的特性有很多具体的要求。这些要求往往会要求将调谐范围限制在更小的范围内。为了能确保VCO能工作，往往要求VCO的频率覆盖范围更大一些，但是这样做会增大压变电容至槽路的耦合，过大的容性耦合会严重的降低槽路的品质因数。所带来的结果是更大的相位噪声；对调谐端噪声的更高的灵敏度；压变电容两端过大的电压范围；降低了启动灵敏度；长的响应时间等，给环路滤波器的设计带来困难。所以很宽的调节范围在实际设计中是不可取的。要做到一个各项技术指标都符合要求的VCO环路并不容易。

    GSM手机的调制方式是最小频移键控(GMSK)。我们知道，最小频移键控能最大限度的利用频率资源，当然，随之而来的问题是，这种信号对相位干扰非常敏感。所以，在GSM手机的VCO的设计中，VCO的相位噪声特性是设计的关键。较大的相位噪声的直接后果就是BER的的恶化。

    由于相位噪声和邻信道干扰信号混频也能产生中频信号，如图4。而且在实际使用中，邻信道干扰可能比载波信号高出70dB以上。假设现在接收机的灵敏度是-102dBm,邻信道干扰的电平为-30dB,则如果载波信号的强度大于90dB的话，必须保障手机能正常工作。要做到这一点，小的VCO环路相位噪声是关键。

    在VCO的设计中，有两个方面的噪声源必须考虑：

    1）固有相位噪声：虽不可消除，但可减小。因为VCO的锁定就建立在有相位差异的基础上；它是一种动态的或者说是平均的锁定。一般情况下，振荡器对控制电压越灵敏，固有相位越小。但是，如果对控制电压太灵敏则会导致控制环路振荡。所以在实际设计中，往往要在二者之间求得一个平衡。固有噪声的另一个来源是，参考时钟。因为参考时钟也有相位噪声，这种噪声必然会反映到VCO环路中。

    2）散射噪声，这是载流子在导体中或半导体中做布朗运动产生的。散射噪声与电流有着密切的关系。散射噪声会引入频率调制的边带噪声。散射噪声也会随着调节范围的增加而增加。热噪声的增加有可能超过振荡器的固有相位噪声。所以在实际设计中要严格控制环路电流，以达到控制散射噪声的目的。距离中心频率fm处的相位噪声(PN)可以由下面的公式给出：

    式中：

    in是散射噪声；

    Vo是谐振电压均方根；

    fo是中心频率；

    Qo是空载品质因数；

    REO是谐振电路等效并联电阻。

    VCO的设计要求仔细、广泛的计算机仿真，通常要多次反复，在诸多要求各异的性能方面进行权衡和取舍，以便确保在各种工作条件下都能够满足所有的规范和要求。那么，VCO的相位指标达到什么程度才可以满足GSM的要求呢？在实际设计中，相位噪声引入的接收机性能的下降可用下面的公式来表示：

    L(ΔfC)=Si-Sn-C/Ir-10Log(BW)

    式中：

    L(Δfc)是偏离载波Δfc处的相位噪声；

    Si 是接收机能正常工作的最小电平；

    Sn最大干扰信号的电平；

    C/Ir基带要求的最小的载干比；

    BW接收机带宽。

    利用这一公式就很容易计算出VCO的相位噪声需要做到什么程度。例如，假设带宽为200kHz,9dB的载干比，干扰信号强度为-40dB;要在离开载波600kHz处能够满足上面公式。相位噪声必须小于-115dBc/Hz。

    这里的相位噪声的计算没有考虑元件的离散性和分布参数的影响。所以在设计时必须留有一定的余量。所以上面的公式变为：

    L(Δfc)=Si-Sn-C/Ir-10Log(BW)-B

    式中B是设计余量。

    由于GSM手机的接入模式是TDMA方式，这样VCO的工作在时间上是不连续的。实际上接收机只有1/8的时间处于接收状态。这种工作方式对VCO的启动和停止的要求很高。而且，在启动和停止的时间沿上，电路的工作状态要在很短的时间内发生剧烈的变化。因此VCO的仿真难度较大，设计的成败更多的依赖于设计师的经验。故在VCO的设计中，要仔细地考虑环路中每个器件的影响：由于分布而产生的分布电容和电感对振荡频率的影响在设计时必须加以考虑。分布元件常常造成设计频率难以预计的偏移，以至于产生较大的频率误差。所以，在设计时VCO的仿真精度相对于其他部分的电路应高一些。一个较好的方法是尽量使用在线仿真。

    那么，设计到什么程度才算是性能良好呢？一个性能良好的VCO应具备以下特性：正确的起振特性、足够的频率范围、无需微调、严格控制的电流消耗,以及不受温度和电源电压波动的影响等。在GSM手机的设计中，最后两项指标的要求相对于一般的收发信机的要求要高一些。其原因是，GSM手机的发射功率较大，机内温度变化较大；GSM手机是以TDMA方式工作的，电源的波动很大。

    一个小技巧：在设计时可以用PCB线条来微调VCO的外接电感，往往可以得到很好的效果。

    由于GSM手机功率较大，在做敏感度分析时要结合温度的变化做联合敏感度分析。由于敏感度分析不是本文的重点，这里不再赘述。

结语

    和LNA的设计一样，在完成了VCO的仿真计算之后，最好是能做在线仿真。以确保设计质量。图5是一个实用的VCO环路的电路图，在这个图中，所有器件的参数都是经过了仿真、灵敏度分析和实测确认这样过程得到的。

    手机接收的设计内容当然不止在本文中提到的这些。在一个完整的项目设计中，设计师所要面对的问题远比这里介绍的更多,更繁杂。但是只要按照本文提到的设计思想和原则来设计，就能得到较好的接收指标。本文所介绍的设计方法和设计实例都在我们的设计和生产实践中得到了广泛的应用。相关产品的性能也得到了相关测试机构和用户的好评。