蜂窝基站中的模拟技术发展趋势

　　目前，移动计算与通信设备已很普遍，数字电子技术正是支持这一发展的驱动力，不过模拟电子技术发展也同样重要，二者缺一不可。

　　在蜂窝基站中，数字电子技术执行许多复杂的功能，通常在软件与固件控制下工作。而收发信号则需要模拟电子技术，ADC和DAC是二者联系的纽带。发送与接收架构以及目前常用的相关半导体工艺。

　　发送侧架构的基本功能是通过在 DSP或 ASIC中运行“程序”生成数字信号，随后信号由DUC(数字上变频器)进一步处理，再通过 DAC转换为模拟信号，然后经过混频、滤波与放大，并通过天线发送。
　　接收侧的过程恰恰相反。天线接收的模拟信号通过模拟电子设备放大、混频并滤波，经ADC转换为数字信号。然后依次经过DDC(数字下变频器)专用电子设备、ASIC 或 DSP 处理。

　　许多蜂窝基站制造商都力图增强系统性能并降低尺寸与成本。目前有两种方法实现：一是PA(功率放大器)的线性化，二是电子设备的集成。手机(手持终端)已成功地集成了收发功能。这也是基站设计的目标，不过基站所需的性能水平要高得多，因此现在要实现这一目标还很困难。

　　PA 线性化
　　为了满足频带外传输规范要求，PA在较高的 A 类上工作，效率低于 10%，这就需要大型器件以及大量电能。为了优化 PA 的尺寸与效率，TI正在开发线性化技术。

　　简单的 PA 线性化方法之一就是降低波峰因数。波峰因数降低技术(FR)压缩了信号“峰值”，并降低了线性工作所需的平均功率。

　　此外，PA 线性化技术更大的突破是可使信号预失真。预失真是 PA 线性化的“法宝”，有望使 PA 效率优于 25%。不过这种方法非常复杂，并且要求了解 PA 失真特性——而该特性的变化方式非常复杂。该方法的基本思路是通过PA 预失真，使得当传输信号经过PA 时消除失真，并满足传输屏蔽的要求。其挑战在于 PA 的失真(即非线性)特性会随时间、温度以及偏压 (biasing) 的变化而变化，因器件的不同而不同。因此，尽管能确定单个器件的特性并设计正确的预失真算法，但要对每个器件都进行上述工作会增加成本。为了解决上述偏差，须使用反馈机制，对输出信号进行采样，并用以校正预失真算法。

　　集成常见功能与常见技术
　　蜂窝基站的另一发展趋势就是集成更多功能。集成的目的在于让功能模块变得更小以降低功耗、减少成本并提高可靠性。

　　集成通常采取的是将多个部件放在一个封装中。因此，分集接收机通过采用一个双功能部件，来代替两个 ADC。此外还可以集成使用相同工艺技术的功能。因此，放大器与混频器可以集成在一起。架构发展是减少组件数量并提高性能的另一种方法，其实例之一就是使用正交调制器与解调器。

　　显示了包括更高PA线性化集成度的发送器。在该例中，波峰因数降低技术与数字预失真都借助 DSP 或微处理器集成到单芯片中。为了实现分集，使用两条发送路径，并在一个部件中集成了多个 DUC。可以看出，正交调制需要两个 DAC，而放大器也整合到了调制器中。发送信号的采样在 PA 进行，反馈用于线性化目的。

　　给出了带有分集接收机的更高集成度的接收机。每个信道都集成了 LNA(低噪声放大器)，带有正交解调器、滤波功能、可变增益以及双 ADC。通过使用正交解调，可用更简单的 Nyquist 滤波器及抽样滤波器替代DDC功能。

　　集成数字与模拟
　　真正的挑战来自在单芯片上混合数字与模拟功能。高频数字逻辑会产生“噪声”，并会通过电源、其他共用连接以及辐射路径传导。噪声在模拟电路中至关重要，因为它决定着信噪比(SNR)，而信噪比则是模拟系统中动态范围的关键品质因素。高性能数字意味着逻辑速度快，高性能模拟意味着动态范围高，将两者放置在同一 PCB板上需要很高的工程设计技巧，在芯片级上进行集成则更加困难。

　　尽管模拟电压近已成功地从12V下降到5V与3.3V，不过他们很难继续降低到目前数字内核电压以下的水平。这是由于噪声在工作电压下降时没有降低，因此模拟工作电压必须保持在足够的高度才能提供良好的 SNR。较低的电压不足以提供高动态范围模拟信号所需的性能空间。

　　此外，的数字工艺与的模拟工艺之间在工艺特征尺寸上也有很大差距。例如，德州仪器(TI)刚投产的型DSP采用了C027 90nm制造工艺，而TI高性能模拟工艺HPA07与BiCom-III则基于0.35mm的CMOS工艺。

　　模拟工艺的起点是稳定的数字工艺。不管数字工艺晶体管提供什么线性功能，都作为片上模拟功能。因此，工艺早期阶段的重点仍是数字；而模拟功能只限于那些不需要额外工艺步骤或修改的项目。一旦工艺成熟并成功制造系列的高速逻辑产品后，数字工艺开发人员接下来就会开始下一工艺节点的工作，而模拟技术设计人员就会努力采用该工艺推出更高的模拟功能。开发与改进模拟组件需要大量的时间，高性能模拟工艺推出的时间通常比基于数字工艺的投产要晚几年。

　　TI 的 HPA07 与 BiCom-III建立在 0.35mm CMOS 工艺基础上，该工艺初开发用于数字元件，因此，二者都有着广泛的数据库。虽然基于CMOS工艺的电源要求与速度使其目前还不适用于的 DSP 与 ASIC。但是，工艺的成熟使得模拟元件设计人员能够推出高度化的技术，以满足各种不同终端设备的应用。其中，HPA07模拟CMOS工艺集成了5V与3.3V数字逻辑器件以及存储器，并添加了专门用于模拟功能的晶体管与无源组件。该工艺经过精心设计，符合噪声、晶体管线性以及组件匹配与稳定性方面的高性能标准，适用于运算放大器、ADC、DAC、电压参考与稳压器以及仪表放大器等。此外，该工艺还有助于模拟集成，实现了良好的逻辑门密度、较好的模拟元件性能，并提供埋层隔离，从而使模拟信号免受高频数字电路的干扰。

　　而BiCom-III 是一种硅锗 (SiGe) 工艺，为超高模拟集成电路而开发。通过在基区加锗，大大提高了载流子迁移率，实现了极快的瞬态时间。该工艺实现了真正互补的双极 NPN 与 PNP 晶体管，传输频率 (fT)为18GHz，频率(fmax)为 40~60GHz。互补晶体管可实现 AB 类放大器级，这对设计高速、高性能模拟电路至关重要。

　　BiCom-III 工艺先进性能的实例之一是 THS4304。它是首款单位增益稳定的 3GHz电压反馈运算放大器，主要用于高性能、高速模拟信号处理链中，在+5V单电源下工作。与传统器件相比较，所需的补偿要高于G=+2V/V的补偿情况，但在电源电压减半的情况下仍然具有的失真性能。

　　结语
　　新型工艺技术正推动用于蜂窝基站的高性能元件的集成。这一推进力量与拓扑及创新型设计解决方案(如正交调制器与解调器)方面的进步以及PA线性化技术的结合，将可以降低成本、降低功耗需求、减小尺寸、提高可靠性。但是要在单个器件上集成所有数字与模拟功能，工艺技术还有很长的路要走，而要想以低成本实现上述目的，则要走的路还更长。