上網(wǎng)時(shí)間 : 2007年07月11日
收藏 打印版 推薦給同仁 發(fā)送查詢隨著
WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的受歡迎程度日益上升，而且802.16標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)地位也在不斷穩(wěn)固，該技術(shù)必將成為一項(xiàng)長(zhǎng)期而前景廣闊的技術(shù)。在手機(jī)產(chǎn)業(yè)的寬帶無(wú)線覆蓋以及高速回程應(yīng)用(backhaul application)方面，802.16d固定標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)獲得其立足之地。隨著能夠支持主要的WiMAX頻帶的RF芯片組的推出，其他創(chuàng)新性的通信應(yīng)用也應(yīng)運(yùn)而生。隨著固定標(biāo)準(zhǔn)不斷推廣，業(yè)界的關(guān)注重點(diǎn)正轉(zhuǎn)向802.16e標(biāo)準(zhǔn)，即WiMAX的移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。這些器件將有助于實(shí)現(xiàn)PCMCIA卡中收發(fā)器的小型化，最終必將為筆記本和移動(dòng)電話所采用。
最初的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是
CPE市場(chǎng)，其商業(yè)模型側(cè)重于大規(guī)模制造以及高銷量。WiMAX基站收發(fā)臺(tái)(
BTS)解決方案緊隨其后，實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)解決方案。BTS是一種量較低(成本較高)的系統(tǒng)，通常對(duì)更高的RF架構(gòu)性能考慮重于對(duì)成本的考慮。此外，由于BTS的靜態(tài)特性，在機(jī)械外殼、散熱片和電源設(shè)計(jì)上具有更多的回旋余地，因此這些不會(huì)對(duì)收發(fā)器設(shè)計(jì)產(chǎn)生什么局限性。
顯然，就上述WiMAX系統(tǒng)而言，沒(méi)有絕對(duì)正確的架構(gòu)。每種選擇都有其優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)工程師必須權(quán)衡比較，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的目標(biāo)。我們要根據(jù)CPE和BTS等不同應(yīng)用需求來(lái)有選擇性地考慮不同的RF架構(gòu)，分析其主要的優(yōu)劣勢(shì)。
數(shù)字基帶到RF接口
RF架構(gòu)首先要考慮的問(wèn)題就是定義數(shù)字基帶處理器與RF電路之間的信號(hào)接口。信號(hào)接口有兩種選擇：低中頻(IF)與I/Q(正交)接口。數(shù)字基帶處理器可能僅具備一種接口選項(xiàng)，因此設(shè)計(jì)工程師也就別無(wú)選擇了。其他處理器可能會(huì)需要在低IF和I/Q接口之間進(jìn)行選擇。由于CPE數(shù)字處理器通常集成了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，因此預(yù)定義了連接到RF電路的接口。由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器屬于外部器件，我們可根據(jù)架構(gòu)的選擇來(lái)確定所匹配的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，因此BTS的靈活性更高。
低IF接口針對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)送(TX)和接收(RX)采用單一的信號(hào)路徑。對(duì)低IF頻率的選擇可能受限于RF芯片組電路，或者受到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣率的影響，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的采樣率必須至少是信號(hào)帶寬最高頻率的兩倍。但在實(shí)踐中，對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采樣率的選擇往往要高得多，以確保保持信號(hào)完整性，同時(shí)使在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器鏡像信號(hào)以及雜散信號(hào)被推高，以輕松實(shí)現(xiàn)模擬濾波。要達(dá)到WiMAX標(biāo)準(zhǔn)，必須消除由轉(zhuǎn)換器生成的輸出雜散信號(hào)。例如，18MHz的低IF傳輸信號(hào)帶寬為3.5MHz，這就要求數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)采樣率至少達(dá)40MSPS才能滿足信號(hào)最高頻率的要求。如果轉(zhuǎn)換器采用更高的采樣率，那么DAC鏡像信號(hào)就會(huì)被提到更高的頻率，這就使簡(jiǎn)單的3極低通濾波器能夠高效率地實(shí)現(xiàn)濾波工作。
I/Q接口采用兩個(gè)連接至數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的正交信號(hào)。通常，信號(hào)位于基帶(即以0Hz為中心)，不過(guò)也可讓I/Q接口的信號(hào)以某個(gè)低中頻為中心。低中頻的I/Q接口通常不適合CPE應(yīng)用，但在采用高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的BTS應(yīng)用領(lǐng)域卻非常有用。由于整體信號(hào)被拆分為正交分量信號(hào)，因此每個(gè)路徑的信號(hào)帶寬減半，這樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的采樣率就不會(huì)要求那么嚴(yán)格，盡管需要兩個(gè)轉(zhuǎn)換器。
盡管低IF接口可簡(jiǎn)單地采用混頻器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為較高頻，但I(xiàn)/Q接口要求采用調(diào)制器或解調(diào)器。此后，我們說(shuō)到調(diào)制器一詞時(shí)，將同時(shí)指調(diào)制器和解調(diào)器，因?yàn)閮煞N器件的特性基本相似。調(diào)制器內(nèi)部采用兩個(gè)由LO正交信號(hào)驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)混頻器。
盡管調(diào)制器比簡(jiǎn)單的混頻器要復(fù)雜些，但其擁有一項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)，即可自然地對(duì)LO信號(hào)和鏡像頻率進(jìn)行抑制。抑制量取決于兩大參數(shù)：DC偏置平衡與正交平衡，相內(nèi)(I)路徑和正交(Q)路徑之間的DC偏置平衡決定了載波饋通(feed through)量。具體就發(fā)送器工作而言，抑制或消除載波非常關(guān)鍵，因?yàn)樗浅＝咏谀繕?biāo)信號(hào)。信號(hào)路徑間的幅度和相位平衡將決定鏡像信號(hào)或不需要的邊帶的抑制。與DC偏置情況類似，抑制鏡像頻率對(duì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求也非常重要，因?yàn)樗ǔ?huì)接近目標(biāo)信號(hào)。
相關(guān)參數(shù)通常非常敏感，我們經(jīng)常需要微調(diào)DC偏置、信號(hào)幅度以及I/Q路徑間的相位平衡，以解決不同批次、頻率以及溫度的差異問(wèn)題。不同環(huán)境下的參數(shù)校準(zhǔn)和參數(shù)調(diào)節(jié)是架構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，同時(shí)對(duì)I/Q接口的實(shí)現(xiàn)也至關(guān)重要。
超外差或直接變頻架構(gòu)
建立了接口之后，設(shè)計(jì)工程師就應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)腞F鏈轉(zhuǎn)換架構(gòu)。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用而言，我們可在超外差和直接變頻射頻技術(shù)之間進(jìn)行選擇。這一選擇決定著采用何種類型的器件以及所需濾波器的數(shù)量。除芯片組本身之外，濾波器的成本是射頻電路中最高的部分。
超外差技術(shù)是一種雙轉(zhuǎn)換方案，即先將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻，再將其轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)腞F通道。在這種架構(gòu)下，IF頻率是靜態(tài)的，允許使用高性能聲表面波(SAW)濾波器。最終的變頻混頻器采用可調(diào)節(jié)的LO，將信號(hào)置于期望的輸出通道上。通過(guò)IF SAW濾波器，在來(lái)自DAC或首次變頻混頻器的雜散輸出信號(hào)傳輸?shù)椒糯笃骱蚉A，通過(guò)天線傳播開來(lái)之前，將其消除。在接收端，利用SAW濾波器來(lái)阻斷鄰信道干擾，避免嚴(yán)重影響到的射頻靈敏度。RX阻斷器的性能是確保符合WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵參數(shù)。
直接變頻架構(gòu)是將輸入信號(hào)直接變頻為所需的RF通道，不采用中頻。超外差射頻技術(shù)采用低IF轉(zhuǎn)換或I/Q調(diào)制器來(lái)進(jìn)行中頻轉(zhuǎn)換，而直接變頻射頻技術(shù)則需采用正交調(diào)制器。由于該架構(gòu)中沒(méi)有選擇性較高的SAW濾波器，因此必須利用調(diào)制器來(lái)抑制鏡像頻率和載波分量。我們可將LO頻率調(diào)至適當(dāng)通道，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為期望的RF通道。在阻斷特性非常關(guān)鍵的接收端，直接下變頻射頻技術(shù)應(yīng)具備優(yōu)異的動(dòng)態(tài)范圍和適當(dāng)?shù)幕鶐V波技術(shù)，以處理相鄰信道的干擾和窄帶干擾，從而避免對(duì)無(wú)線電廣播的靈敏度造成較大影響。
直接變頻射頻技術(shù)的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是傳輸輸出噪聲，單位為dBc/Hz。如果沒(méi)有IF濾波的話，那么調(diào)制器的所有噪聲都將到達(dá)PA，從而通過(guò)天線發(fā)射出去。因此，必須確保較高的動(dòng)態(tài)范圍，并降低輸出噪聲，這樣才能滿足WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的要求及其它相關(guān)規(guī)范。直接變頻架構(gòu)采用盡可能少的濾波器和合成器，這對(duì)于低成本設(shè)計(jì)方案而言是相當(dāng)有利的，不過(guò)同時(shí)也對(duì)調(diào)制器和解調(diào)器器件提出了極高的性能要求。我們必須注意采用適當(dāng)?shù)钠骷?，使其滿足所有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，這樣才能確保該方法的可行性。
針對(duì)CPE的WiMAX系統(tǒng)
CPE(用戶端設(shè)備)是一種高銷量的產(chǎn)品，它不僅需要符合WiMAX規(guī)范，而且還要求滿足低成本目標(biāo)，同時(shí)在制造過(guò)程中還要具有高度的性能穩(wěn)健性，這樣才能在市場(chǎng)中獲得成功。如前所述，基帶處理器的選擇至關(guān)重要，需要采用低IF或I/Q接口。目前市場(chǎng)上的大多數(shù)CPE基帶解決方案均可配置為IF或I/Q接口，在接口的選擇方面不會(huì)有什么限制問(wèn)題。變頻架構(gòu)的選擇是一個(gè)相關(guān)性很強(qiáng)的問(wèn)題。為了確保滿足WiMAX標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)工程師通常首先會(huì)選擇低IF、雙變頻射頻技術(shù)。這時(shí)，類似于TSW500x參考設(shè)計(jì)中的TI TRF1xxx系列器件就能實(shí)現(xiàn)符合WiMAX標(biāo)準(zhǔn)要求的收發(fā)器，而且還能滿足WiMAX對(duì)頻率、功耗以及溫度的要求。圖1給出了該架構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。
圖1：TSW500xWiMAX參考設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖
在下一代的設(shè)計(jì)中，在性能上將有望保持與當(dāng)前的固定WiMAX技術(shù)相關(guān)的性能標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)提高集成度，進(jìn)而降低移動(dòng)應(yīng)用的成本。我們可采用直接變頻架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的，配合采用外部功率放大器(PA)和外部低噪聲放大器(LNA)，或者可采用在RF前端芯片上集成PA和LNA的超外差架構(gòu)，圖2給出了這兩種架構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。兩種架構(gòu)均能降低成本、提高集成度，并將芯片組的器件減少為兩到三顆，從而降低PCB的面積占用。直接變頻必須保持不錯(cuò)的DC偏置平衡和正交平衡，并且具有適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)范圍以處理阻斷信號(hào)(blocker signal)，這樣才能成為有效的解決方案。超外差方案將采用額外的SAW濾波器，以便協(xié)助滿足減少雜散和RX阻斷器的要求。只要采用了正確的設(shè)計(jì)方案，其所需的額外濾波器和合成器就會(huì)通過(guò)功率放大器的集成性能而物有所值。這兩種方案的成本和電路板面積的占用基本相同，決定性因素將在于PA的性能和成本。
圖2：直接變頻與超外差結(jié)構(gòu)圖
針對(duì)BTS的WiMAX系統(tǒng)
對(duì)于BTS系統(tǒng)而言，我們更關(guān)注性能而不是成本和尺寸。不過(guò)，由于WiMAX是一種新部署的技術(shù)，我們還是希望降低成本。最初的WiMAX系統(tǒng)采用開環(huán)PA，能夠向天線提供2到4瓦的調(diào)制功率。采用這種PA技術(shù)時(shí)，我們用了足夠高功率的PA末級(jí)晶體管(final transistor)來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的調(diào)制功率輸出，通過(guò)足夠地補(bǔ)償(back off)放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)恼`差矢量幅度(EVM)性能。盡管這種方法是可行的，但效率非常低，常常需要大型的散熱片和主動(dòng)冷卻。新一代的BTS系統(tǒng)將需要更高的功率，這使得補(bǔ)償線性化方法就難以為繼了。設(shè)計(jì)工程師開始考慮其他的線性化方案。他們先用波峰因數(shù)降低技術(shù)(CFR)在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換前降低信號(hào)域中到達(dá)信號(hào)的功率峰均值比(PAR)。由于WiMAX信號(hào)對(duì)帶內(nèi)信號(hào)完整性的要求非常嚴(yán)格，因此這種方法在CFR的固有EVM衰減變得很大之前，可能只會(huì)降低1.5到2dB的PAR。
為了在技術(shù)改進(jìn)方面取得更大的進(jìn)展，設(shè)計(jì)工程師將采用數(shù)字預(yù)失真(DPD)線性化方法。該技術(shù)將修改數(shù)字輸入信號(hào)，這樣，在信號(hào)通過(guò)非線性功率放大器之前，我們能抑制掉不必要的互調(diào)信號(hào)。該方法在蜂窩通信PA市場(chǎng)上日益受到歡迎，人們正在研究將其用于WiMAX系統(tǒng)。
DPD有兩種特殊的架構(gòu)要求。一是需要在PA后提供反饋路徑，以便為進(jìn)行線性化系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)向DPD處理器發(fā)送輸出信號(hào)，從而在不同輸出功率和環(huán)境條件下保持良好的線性化效果。如果采用時(shí)分雙工(TDD)WiMAX系統(tǒng)的話，這一要求可以忽略，因?yàn)檫@時(shí)已經(jīng)有了接收機(jī)，并且在傳輸周期中處于空閑狀態(tài)。
第二個(gè)要求與預(yù)失真信號(hào)的帶寬相關(guān)。DPD信號(hào)將包括用于抑制由PA生成的三階與五階產(chǎn)物。這樣，輸入信號(hào)會(huì)是所需信號(hào)的五倍。超外差無(wú)線電廣播技術(shù)中所用的SAW濾波器與所需信號(hào)寬度相同，不足以讓DPD信號(hào)通過(guò)。此外，過(guò)長(zhǎng)的群組延遲和與SAW濾波器不同帶寬屬性下群組延遲的差異也會(huì)對(duì)DPD自適應(yīng)算法產(chǎn)生不良影響。因此，直接上變頻方案是采用DPD技術(shù)的最可行方法。采用DPD的直接上變頻方案對(duì)正交調(diào)制器和執(zhí)行驅(qū)動(dòng)功能的DAC提出了極高的性能要求。例如，TI的DAC5687配合TRF3703正交調(diào)制器就是一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例，如圖3所示。
圖3：DPD直接上變頻結(jié)構(gòu)圖
DAC5687擁有超過(guò)500MSPS的采樣率以及內(nèi)置的調(diào)節(jié)功能，可實(shí)現(xiàn)DC偏置校準(zhǔn)以及幅度和相位平衡等。調(diào)制器具備足夠?qū)挿旱膭?dòng)態(tài)范圍，輸出噪聲低，僅為-163dBc/Hz，足以在不增加任何額外失真的情況下確保DPD信號(hào)通過(guò)。上述技術(shù)相結(jié)合，我們可將DPD用于蜂窩信號(hào)，同樣也可應(yīng)用于WiMAX系統(tǒng)。
出于對(duì)稱原因，BTS接收機(jī)也可采用直接下變頻架構(gòu)。不過(guò)，由于對(duì)阻斷器的嚴(yán)格要求，我們可能需要在超外差方案中采用窄帶濾波技術(shù)。BTS設(shè)計(jì)工程師可選擇混合架構(gòu)方法，其中采用DPD的發(fā)送器使用直接上變頻調(diào)制器，而接收機(jī)則采用雙通道轉(zhuǎn)換機(jī)制，當(dāng)接收機(jī)用作DPD反饋路徑時(shí)可選擇繞開IF SAW濾波器。該方案在整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了每種架構(gòu)的最佳優(yōu)勢(shì)。
本文小結(jié)
實(shí)踐證明，WiMAX技術(shù)是可行的。不過(guò)，該技術(shù)的成功取決于我們制造并部署相關(guān)產(chǎn)品的效率。這里介紹的多種接口和架構(gòu)為我們提供了基本的信息，有助于我們?cè)O(shè)計(jì)出高性能，并且可大規(guī)模制造低成本的產(chǎn)品，從而適應(yīng)并迎合當(dāng)前商業(yè)環(huán)境的需求。接口選擇主要由數(shù)字基帶決定。是采用雙轉(zhuǎn)換還是采用直接上變頻或下變頻技術(shù)，這要在性能和復(fù)雜性之間進(jìn)行權(quán)衡取舍。沒(méi)有絕對(duì)正確的方法，每種方法都各有千秋。我們應(yīng)努力實(shí)現(xiàn)具有最高性能和靈活性的方案，這樣才能為RF設(shè)計(jì)工程師提供最佳的商業(yè)模型，從而滿足日新月異的標(biāo)準(zhǔn)要求。
作者：
Russell Hoppenstein
射頻應(yīng)用工程師
德州儀器公司
rhoppenstein@ti.com
相關(guān)信息
* 什么是WiMAX？
WiMAX 的全名是微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，將此技術(shù)與需要授權(quán)或免授權(quán)的微波設(shè)備相結(jié)合之后，由于成本較低，將擴(kuò)大寬帶無(wú)線市場(chǎng)，改善企業(yè)與服務(wù)供應(yīng)商的認(rèn)知度。 該技術(shù)以IEEE 802.16 的系列寬頻無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。一如當(dāng)年對(duì)提升802.11使用率有功的Wi-Fi 聯(lián)盟，WiMAX 也成立了論壇，將提高大眾對(duì)寬頻潛力的認(rèn)識(shí)，并力促供應(yīng)商解決設(shè)備兼容問(wèn)題，借此加速WiMAX 技術(shù)的使用率，讓W(xué)iMAX 技術(shù)成為業(yè)界使用IEEE 802.16 系列寬頻無(wú)線設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。雖然WiMAX 無(wú)法另辟新的市場(chǎng)（目前市面已有多種寬頻無(wú)在線網(wǎng)方式），但是有助于統(tǒng)一技術(shù)的規(guī)范，有了標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范，就可以以量制價(jià)，降低成本，提高市場(chǎng)增長(zhǎng)率。短期而言（2004年），WiMAX 論壇將在年底之前，著手開發(fā)認(rèn)證流程，為最后一步的產(chǎn)品測(cè)試預(yù)作準(zhǔn)備。2005年左右，大型供應(yīng)商將推出擁有WiMAX 認(rèn)證的產(chǎn)品，多數(shù)產(chǎn)品的頻率不超過(guò)11GHz.長(zhǎng)期而言，WiMAX 將進(jìn)步到可以支持最后一哩，回程、私人企業(yè)應(yīng)用。2006/07 年左右，WiMAX 解決方案將內(nèi)建于筆記本電腦，可直接進(jìn)行客戶端發(fā)送，遞送真正的便攜式無(wú)線寬頻，不需外接的客戶端設(shè)備(CPE )。
