蜂窝基站的性能和其他无线基础设施系统的性能取决于这些系统能够从链接到每座铁塔的众多智能手机和其他无线设备接收到多好的无线信号。提高接收机的信噪比(SNR)以及提供宽范围的增益控制可确保基站能够提供一致的性能，同时最大限度地减少由于信号丢失或噪声引起的断线。提高性能的一个关键是借助最新代的数字控制可变增益放大器(VGA)优化接收机信号路径。
在蜂窝基站中，中频(IF)信号的解调和解码可以在模拟域或数字域中完成。当今数字技术和高速模数转换器(ADC)的发展让接收通道能够采用直接至数字的方法来完成中频转换。这种转换技术通常被称为中频欠采样。与采用模拟解调的接收机系统相比，它可以显著减少接收机的器件数量、功耗和成本。
中频欠采样系统通常由数字控制的VGA组成。该VGA先驱动抗混叠滤波器，输出信号随后馈送到高速ADC。ADC输出经数字处理后形成到VGA的混合信号反馈环路，以根据接收到的信号强度实现增益调整(图1)。来自数字信号处理器(DSP)的反馈信号用来调整增益，使信号保持在“最佳工作点”，从而实现最佳的信噪比和最小的失真。
图1：在典型的基站接收机系统中，数字控制VGA一般放置在混频器后面。
数字控制的VGA是中频欠采样技术的核心。市场上有许多供应商提供众多不同的商用数字控制VGA产品。这些产品分别针对不同的中频范围进行了优化。本文将使用Integrated Device Technology公司的F1200 VGA作为例子，用于展示这种技术将如何服务于现代蜂窝基站。F1200是该公司推出的一系列数字控制VGA的首款产品，中频范围为40MHz至160MHz。F1206和F1207是新增的型号，分别支持150MHz至260MHz和230MHz至300MHz的更高频率范围，可用于采用更高中频的系统。
F1200有一个7位的控制接口，它可以提供比商用数字控制VGA中经常使用的5位或6位控制接口更高的调谐分辨率。7位控制允许在-1至+22dB的增益范围内以0.25dB的增量设置增益。这种更精细的粒度允许设计人员更好地优化系统性能。从增益步长到增益步长可以保持很高的精度，典型情况下的变化不到0.1dB。
另外，数字控制VGA芯片的噪声系数要比现有的VGA解决方案低得多(只有2.6dB)。而更低的噪声系数有助于简化系统设计，因为增益可以设置得稍低一些，信号的失真也就更小。芯片本身还可以提供非常低的失真，输出三阶截取点为+48dBm。这么低的噪声系数和互调失真可以使用更简单的后VGA滤波电路，从而有助于减少蜂窝基站接收机中的器件数量和成本。低失真可提高无杂散动态范围(SFDR)，使电路更适合宽动态范围的应用。
图2显示了第二代(2G)和第三代(3G)蜂窝通信系统中的信号通道的典型性能特征。图中显示了第二代(2G)全球移动通信系统(GSM)输入信号时的输出信号。增益调整的方式是使2G信号放大到刚好低于ADC的最大输入电平。这些信号之间的互调使三阶互调分量靠近目标放大输出信号的两侧。图中所示的二阶互调分量在频率上要远离很多。图中还显示了输出噪声。二阶分量和噪声在到达ADC之前必须被滤除，以避免混叠进有用的信号频带。F1200的二阶互调失真和增加的噪声非常地低，这意味着只需采用最小限度的滤波。三阶分量和带内噪声无法被滤除，因此，选用三阶失真非常低的中频可变增益放大器非常重要。
图2：典型直接转换信号路径中的波形显示了F1200 VGA的低本底噪声以及最终的系统动态范围。
在实际的接收信号路径中，接收信号一般会经过混频器进行下变频，然后经过声表面波(SAW)滤波器滤除有害的杂散信号分量(图3)。滤波后的信号再送到数字控制VGA进行处理。F1200的输入端提供有200Ω的平衡匹配阻抗，因此无需采用外部阻抗匹配器件。这个200Ω的输出差分阻抗也能很好地匹配ADC接口，而器件的差分特性还可抑制偶数阶杂散响应。更高阶的谐波分量在进入ADC之前很容易被抗混叠滤波器滤除。该调整过的信号由ADC完成转换后，通常会送到可执行各种算法的主处理器或DSP，以进一步优化反馈信号，设置VGA的最优增益值。
图3：在这个接收信号路径中，SAW滤波器对输入信号进行滤波，然后将滤波后的信号送到数字控制VGA。
在设计VGA的电路板时，电路板走线通常要有100Ω的特征阻抗。通过尽量缩短走线并尽可能保持相同长度，噪声、带宽和信号损耗就可以得到最优化。F1200的500mW低功耗也使得电路板设计和热路径版图设计非常简单。F1200采用的无引线封装包含一个裸露的散热焊盘，可以通过印刷电路板(PCB)上的铜箔散热，因此无需增加散热器。
作者：Christoper Stephens
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