基于实现更快RF设计的构建模块策略浅析

受物联网（IoT）这一日益普及的应用所驱动，我们生活在一个连接性越来越强的世界，电子设计需要提供无处不在的无线通信。从可穿戴设备到智能家电，集成RF的应用其范围正在迅速扩大。因此，这种无线电链路（空中无线接口）的标准数量也在迅速增加。此外，还有传统的无线数据、卫星通信、航空和海事等专业射频市场，以及科学、医疗和工业等其他应用。

即使是对于Wi-Fi和蓝牙等无处不在的2.4GHz无线应用，由于HF、VHF和UHF系统的多样性，较低的无线电频谱仍然非常活跃，其中一些系统占用了以前地面广播使用的频段。面对在新产品设计中需要集成射频功能，并考虑到产品上市时间不断增大的压力，许多工程师正在发现这项任务越来越令人望而生畏。采用分立方案设计的传统方法将很快被放弃，但电子设计仍然需要满足提供连接能力的强劲需求。

为了帮助解决这个难题，RF设计人员需要寻求硅无线电供应商的帮助，这些供应商专为全球电信系统设计、开发和供货低功耗模拟、数字和混合信号半导体解决方案。此外，他们还提供一系列模块化构建模块，可以作为“无线前端”的部分或全部实施方案。

总之，此类器件是针对HF / VHF / UHF设计所需的高灵活度、高性能IC，可以使工程师采用构建模块的方法进行RF设计，这种方法通过使用多功能、低功耗和良好支持的RF IC器件来加快设计进程。

射频设计和应用的挑战

设计RF电路可能非常具有挑战性。一些工程师更喜欢使用分立器件来创建设计。然而，考虑到需要领先竞争对手而率先将产品上市的快速发展商业压力，上述方法不太合适。这些因素正在推动无线应用的重大变革。

无线网络正在向更高数据速率和更高容量演进，Wi-Fi和蓝牙等应用就是其中的代表，这也是半导体行业的主要发展动力之一。这种演对当前的设计技术提出了许多挑战，特别是对（超）低功耗的苛刻要求。无线服务的快速增长使业界对高集成度和低成本解决方案的需求不断攀升，快速增长的市场和激烈的竞争需要非常短的系统开发周期。为了应对这种趋势，采用无线系统的新设计方法已成为当务之急。

以基于平台的设计为基础，业界出现了一种比采用分立RF器件的传统方法更好的新设计思路，它采用了更高层次的抽象，即构建模块、更好的可重用性和对系统性能的早期考虑。

这里一个很好的例子就是无线接收器设计，一个由RF、模拟和混合信号组件组成的复杂系统。传统上，系统设计和分立电路设计是分开进行的。但采用构建模块设计方法，无线接收器设计中的几个挑战都得到了很好的协调。

总部位于英国的CML Microcircuits是一家提供RF构建模块解决方案的全球领先企业，其解决方案非常适合各种系统。下图（图2）显示了采用高集成度实施方案的典型系统架构示例：数字/模拟双向无线电（TWR）、无线数据（WD）遥测和软件定义无线电（SDR）。

这些设计中的构建块通常包括以下元素：

接收器（Rx） - 设计考虑因素包括分配RF、中频（IF）和基带（BB）电子器件的增益。

发射器（Tx） - 一个射频发射器执行调制、上变频和功率放大。

收发器（XCVR） - 以上两者的组合。

功率放大器（PA） - RF功率放大器是实现性能、可靠性和可接受成本的关键因素。

混频器 - 具有两个主要功能的频率转换设备：

将RF频率转换为中频（IF）或基带。

将BB或IF信号转换为更高的IF或RF进行传输。

本机振荡器（LO） - 在放大器具有满足幅度和相位条件的反馈路径时即可产生振荡。 压控振荡器（VCO）可用作可编程锁相环（PLL）的一部分来调谐给定频率范围内的LO。

CML Microcircuits针对射频设计的构建模块方法

如果能使用现有的商用器件来实现RF设计解决方案将是非常有利的。CML的CM97x和CM99x系列器件包括集成的接收器、发射器、收发器、调制器/解调器和PLL功能，能够加速设计进程，并缩短产品上市时间。器件的主要性能摘要如下：

CMX971 - 这是一款具有宽频率工作范围的高性能正交调制器。 CMX971的控制可以通过串行总线或直接控制来实现，可编程功能包括LO分频器分频比（2或4）和优化运行（针对噪声或线性）。

图3：采用CMX971正交解调器、CMX970 IF/RF正交解调器和CMX983可编程基带接口IC的典型系统应用。

CMX975 - 这是一款能够扩大CML射频构建模块频率范围的IC，它具备多种功能：RF PLL/VCO、IF PLL/VCO、发送上变频混频器、接收下变频混频器和低噪声放大器（LNA）。RF高频合成器采用小数N分频设计，使用完全集成的内部VCO或高达6 GHz的外部VCO，工作频率高达3.6 GHz。 IF合成器采用整数N分频设计，工作频率高达1 GHz，它具有集成的VCO，只需要一个外部电感来设置频率。 Rx混频器可以配置为镜像抑制或通常模式，而Tx混频器可以配置为边带抑制或正常模式。集成的LNA分三步提供18 dB的增益降低。

图4：CMX975设计用于与CML的CMX973正交调制器/解调器一起工作，以提供一个工作频率范围为1至2.7 GHz的简单且经济高效的高频超级收发器。

CMX99x – 包括CMX991正交收发器、CMX992正交接收器、CMX993/993W正交调制器、CMX994A/E直接转换接收器和CMX998笛卡尔反馈环路发送器。该系列产品工作在100 MHz至1 GHz 的RF频率范围，CMX993/993W和CMX998的工作频率可低达30 MHz，具有非常高的灵活性。这些IC可以单独或组合使用，能够满足恒定包络（constant-envelope）和线性调制系统中数据和编码语音运行中的许多无线格式需求。为了节省PCB成本，这些产品只需最少量的外部电路，并采用紧凑型VQFN封装。为了实现最短的设计集成时间，CMX99x系列产品具有现成的评估和演示辅助以及一系列应用信息支持。

图5：采用CMX971和CMX994A/E进行组合设计的应用示例。

结论

与使用分立元件和电路的方案相比，采用构建模块或模块化方法进行RF设计具有下列主要优势和益处：

较短的设计周期。

更快的产品上市时间，更短的产品赢利时间。

对完成设计只需进行更简单的测试。

完成设计所需的组件更少。

实现更高的可靠性。

具有更高的性能。

能够更好地控制公差冗余。

实现更低成本的最终产品。

尽管在大多数情况下使用分立元件可以为某些应用提供更高程度的灵活性，但使用集成式构建模块可以实现上述列出的部分（或是全部）优势。CML提供的技术和产品非常适合这种射频设计方法。