超寬頻（Ultra Wide Band；UWB）是一種可實現短距離高速資料傳輸的技術，其應用主要有無線USB和音訊/視訊的傳輸。自從美國聯邦通訊委員會（FCC）為UWB開放了從3.1到10.6GHz的工作頻段以來，已經出現了多個旨在實現高速短距通訊系統的標準。在多頻帶OFDM聯盟的一項建議中，將分配的頻譜劃分成QPSK-OFDM調製子頻帶，每個子頻帶為528MHz。

按照該建議，在強制工作模式下，元件在3.1GHz到4.8GHz的三個較低頻帶的載頻間跳頻，其發射功率應低於FCC規定的-41.25dBm/MHz的極限值。另外，這些低訊號位準要求採用低雜訊接收鏈路，而2.4GHz和5GHz頻段的強烈頻外干擾，以及與工作在頻帶內的其他系統共存的需要，要求該鏈路必須具有較高的線性和選擇性。這樣，整個系統才能實現高速率資料傳輸。本文將從兩個方面對採用SiGe BiCMOS製程的UWB快速跳頻頻率合成器和射頻接收信號鏈路進行簡要的論述。

快速跳頻頻率合成器

用於UWB資料傳輸的合成器必須能夠滿足快速頻率切換要求。上面提到的跳頻方案是在相鄰頻譜上同時工作的微微網（piconet）之間進行的，該方案規定，在位於3432MHz、3960MHz和4488MHz頻率處的三個較低頻帶的載頻之間進行跳頻，每隔312.5ns進行一次。而頻率合成器必須在這些載頻之間切換，轉換時間最長不能超過9ns。在載頻純度方面的要求同樣非常嚴格——位於5GHz範圍內的所有發射離散雜訊必須控制在-50dBc以下，這樣才能避免強烈頻外干擾的下變頻進入有用的信號頻帶，保證通訊的有效性和高效性。

因此，合成器必須具有快速頻率切換的能力，同時還要滿足既能簡化電路設計，又不增加很多功耗的要求。而採用單PLL的方法需要使用一個實際上無法實現的高參考頻率來滿足穩定性的要求。如果每個頻帶（3432MHz、3960MHz和4488MHz）都使用一個 PLL，然後再透過選擇進行切換的話，就需要三個PLL。這種方法不但成本較高，而且對電感耦合和三個PLL間的頻譜洩漏十分敏感。理想的方法是在一個所謂的多頻產生器內整合所需的所有LO頻率。這種方法只需使用兩個PLL，是一種既精簡又可實現低功耗的解決方案。

多頻產生器的原理如(圖一)所示。PLL的I和Q是兩個正交的相同輸入的參考頻率，可分別產生固定頻率為3960MHz和528MHz的兩個信號。3960MHz信號是2號頻帶的載頻。利用一個單邊帶（SSB）混頻器將該信號與-528MHz或+528MHz進行正交混頻，可分別生成1號頻帶和3號頻帶。SSB混頻器前面的頻率選擇開關用於選擇相應符號的528MHz信號。

《圖一　多頻產生器架構》

圖一的PLL8G包含一個工作在7.92GHz的振盪器，其輸出信號饋送至靜態二分頻分頻器，生成3960MHz的I信號和Q信號。PLL2G採用同樣的方式從內部2.112 GHz信號生成正交的528MHz信號。兩個PLL使用一個來自外部並在內部進行緩衝的公用44MHz參考信號。所需的頻率是SSB混頻器透過將3960MHz信號與-528MHz、DC或+528MHz信號進行正交混頻產生的。–528MHz、0Hz和+528MHz之間的切換是由頻率選擇器根據外部提供的兩個控制位Sel0和Sel1實現的。濾波器用於抑制PLL2G中的靜態二分頻電路產生的528MHz信號的三次諧波。如果這個頻率為1584MHz的諧波與3960MHz信號混頻，將在3960MHz+1584MHz=5544MHz處引起強烈脈衝，並在802.11a干擾信號存在時在下變頻後使UWB信號頻寬內產生頻帶內發射雜散；或者在3960MHz-1584MHz=2376MHz處引起強烈脈衝，在有802.11b/g干擾信號時產生發射雜散。

為了改善相位雜訊性能和降低功耗，兩個振盪器均使用數位控制MOS電容器，以獲得20％的調諧範圍，實現VCO的低控制增益（量級為50MHz/V），降低兩個PLL輸出的亂真頻率。VCO的有源部分利用源自技術實現，8GHz和2GHz VCO分別從2V穩定電源獲得4.8mA和3.7mA的電流。

8GHz PLL的主分頻比為整數比，等於N=7920/44=180。選擇不同的係數，可以得到所需分頻器子單元的分頻比：。第一個二分頻電路如(圖二)所示。鎖存器前面的輸入時脈電晶體的發射極與資料對前面的時脈電晶體的發射極一樣，可構成一個差分對。該技術解決I & Q信號品質與任何尾電流源不匹配的問題。2GHz PLL也採用了類似的方法，所需的分頻比48可表示為。

《圖二　第一分頻器級示意圖》

由於正交SSB混頻器工作在複雜信號，因而為對信號進行頻帶轉移而不致產生鏡像信號提供了機會。528MHz頻率符號的反轉是透過反轉一個528MHz信號的I & Q信號獲得的，如(圖三)中的-1增益塊所示。如果要接收或發射二號頻帶，將3960MHz信號移頻0Hz，並使用一個直流信號控制SSB級，在SSB混頻器輸出端即可不使用多路轉換器。混頻器採用吉伯特乘法器，如圖三所示。

《圖三　SSB混頻器架構》

採用0.25m SiGe BiCMOS製程的多頻產生器是一種基於兩個PLL和一個SSB混頻器的快速跳頻多頻產生器，從一號頻帶（3432MHz）到三號頻帶（4488MHz）的跳頻不到1ns。其晶片面積為1070×970m2，功耗為73.4mW，完整整合的多頻產生器在2.7V電源電壓的功耗為27.2mA，輸出測量緩衝器的功耗為11.8mA。其在5GHz和2.4GHz ISM頻帶內的亂真頻率分別低於-50dBc和-45dBc。因此該產生器滿足三頻帶OFDM UWB系統的要求，能夠與802.11a和802.11b/g等其他系統同時工作。

UWB 射頻接收信號鏈路

除了上述介紹的跳頻方案外，要實現高速短距通訊系統還必須具備射頻抗干擾接收鏈路。遺憾的是，在2.4GHz和5GHz頻帶存在著強烈頻外干擾，而且還有其他系統需要工作在同一個頻帶內，因此要求接收信號鏈路必須具有較高的線性和選擇性。

要發揮超寬頻通訊的技術特性，必須保證元件能夠在有鄰近干擾源（如802.11a WLAN發射器）的情況下接收幾十米外的發射器資料。也就是說，在相隔僅幾百MHz的頻率且存在+23dBm干擾信號的情況下，接收UWB信號的靈敏度須達到-70dBm。這對前端的雜訊和失真都是嚴峻的挑戰。另外，為了限制後端類比/數位轉換器（ADC）的動態範圍，必須對干擾信號進行濾波，使之低於有用信號的水準。採用具有更高衰減、精確和陡峭滾降特性的寬頻中頻（IF）濾波器即可滿足上述要求。

如(圖四)所示，為了減弱強烈頻外干擾信號，在UWB接收器鏈路的前端使用了一個片外濾波器。採用單端RF輸入的片內低雜訊放大器（LNA）可在不使用寬頻平衡-不平衡變換器的情況下減少不必要的損耗和成本。但是，這樣做反而使滿足線性要求的問題複雜化。LNA後的吉伯特混頻器具有與有源平衡-不平衡變換器作用類似的功能。混頻器產生的正交（I和Q）輸出需經IF濾波器級進行濾波和放大。

《圖四　UWB接收器鏈路框》

為了具有較高的線性，同時不使用任何附加的外部元件又使三個較低頻帶的輸入阻抗為50Ω，可以採用如(圖五)所示的具有組合回饋機制的LNA電路。它由一個共發共基放大器輸入級（Q1和Q2）、電壓緩衝器（Q3和Q4）和後端白色發射極跟隨器組成。變壓器的初級線圈、次級線圈分別與發射極和集電極連接，與R1和C1一起構成了電流回饋電路。

晶片測試結果表明，LNA的增益為11dB，有用頻帶（3.25至4.75GHz）內的雜訊指數約為3dB。該增益和雜訊性能可一直維持到約13GHz，能夠適用於從3.1至10.6GHz的整個UWB頻帶範圍。

《圖五　LNA電路圖（不包括偏置元件）》

UWB 接收器鏈路採用切比雪夫（Chebyshev）低通濾波器，它包括多個放大級和一個無源開關衰減器。由於採用了零中頻結構，I和Q通道的額定頻寬可降至250MHz。濾波器的額定增益為45dB，通帶波動（pass band ripple）為2.8dB。放大級、衰減級和濾波級的分佈使IF鏈存在干擾信號、無用信號和高有用信號時均呈高度線性。低雜訊濾波器只接收來自所有位於LNA之前的前置濾波器的有限衰減，以抑制強烈的頻外干擾信號。

還有一個挑戰是來自於802.11a的5.15GHz干擾信號，它與三號子頻帶的4.488GHz載頻僅差660MHz。為了提高通帶和阻帶的精度，可以調整濾波器電容器，以數位方式校正濾波器極點的位置及其品質係數。濾波器級的工作放大器為兩級差分放大器，具有很高的單位增益頻率，可使濾波器的失真更低。(圖六)是IF濾波器的結構。

《圖六　IF濾波器結構》

與多頻產生器一樣，接收鏈路也採用SiGe BiCMOS製程，截止頻率（ft）可達70GHz。鏈路晶片的接收路徑面積（不包括DC偏置補償電路）僅為0.6mm2。完整的接收鏈路（不包括LO產生器）2.5V電壓的功耗為47mA。封裝後的元件整體雜訊指數為7.5dB，具有卓越的線性特性以及可精確控制的、陡峭的濾波器特性。

總結

採用SiGe BiCMOS製程的UWB快速跳頻頻率合成器和射頻抗干擾接收鏈路具有卓越的特性，能夠滿足高效短距離的高資料速率傳輸的需要，實現與工作在2.4和5GHz頻帶的系統共處。（本文由飛利浦半導體提供；曾刊登於中國大陸Electronic Products China今日電子6月號）

延 伸 閱 讀

五種短程無線連接技術正在成為業界談論的焦點，它們分別是無線局域網（Wi-Fi）、藍牙（Bluetooth）、ZigBee、超寬頻（Ultra WideBand）和短距通信（NFC）。隨著無線連接漸成時尚，這些技術到底誕生背景和應用前景如何呢?相關介紹請見「五大短程無線技術爭雄融合還是對立？ 」一文。 美國聯邦通訊委員會 (FCC) 三年多前發佈一份歷史性的Report & Order報告，正式確定超寬頻 (UWB) 裝置的使用頻譜配置，使半導體廠商在超寬頻晶片的設計與研發上加速進展。目前市面上已推出第一代超寬頻晶片的樣品元件，預計最快在2006年就會推出採用超寬頻元件的產品。你可在「 多頻帶OFDM為何比直接序列技術更適合高速UWB通訊」一文中得到進一步的介紹。 Ultra-WideBand(UWB)為美國軍方使用多年的作戰技術，可運用於地面穿透雷達、穿牆影像偵測等特種任務。美國在2002年2月14日經FCC正式立法通過開放UWB商業化用途，立即成為各界關注的焦點，其中尤以通訊與量測系統領域最受矚目。在「UWB產業—WLAN之後另一個產業明星 」一文為你做了相關的評析。

市場動態

“ISSCC 2005”半導體技術國際會議在美國加利福尼亞開幕。使用超寬帶的“UWB”無線技術專題研討會於第3天上午舉行。此次研討會上最受關注的課題是頻率合成器。9篇論文中有5篇是有關這個課題的。每篇論文均是有關高速切換振蕩頻率的內容。「現有PLL跟不上」新型UWB頻率合成器相繼發表 CSR宣佈，支持SIG將超寬頻技術(UWB)納入藍芽規範的提議。成為一個理想的藍芽新標準，不僅要與現有標準相符，而且要增加額外的方案，比如高速的UWB界面，將短距離無線通訊帶入一個新的境界。對於使用電池的個人裝置上，藍芽是世界上最成功並經過驗證的短程無線標準。CSR正在開發極速藍芽 以色列Wisair的UWB（超寬頻）設備開發工具組“DV9100”已通過美國FCC認證。DV-9100除配備有基於MBOA（多頻帶OFDM聯盟）方式的RF收發LSI Wisair 501和基頻LSI Wisair 530外，還安裝有天線等。支援頻率為3.1GHz～7.4 GHz，最大數據傳輸速度為480Mbps。MBOA方式UWB開發工具組首次通過FCC認證