WiMAX技術(shù)領(lǐng)域的RF芯片組設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在通信行業(yè)，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。802.16標(biāo)準(zhǔn)（通常也稱作WiMAX）將成為新一輪技術(shù)發(fā)展高潮。全球微波接入互操作性(WiMAX)技術(shù)迅速席卷了整個(gè)業(yè)界，在小型農(nóng)村運(yùn)營商、大型服務(wù)原始設(shè)備制造商(OEM)以及供應(yīng)商中引起了廣泛關(guān)注并得到快速推廣。

WiMAX標(biāo)準(zhǔn)最初旨在用于固定電臺(tái)的寬帶通信部署。隨著這些應(yīng)用的日益普及，WiMAX逐漸向點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)連接（即面向最后一英里無線寬帶接入技術(shù)）、企業(yè)或高校的蜂窩回程與高速局域網(wǎng)應(yīng)用演變。盡管WiMAX之前的許多技術(shù)都能實(shí)現(xiàn)類似的功能，但WiMAX的主要賣點(diǎn)在于這種獨(dú)特技術(shù)的互操作性。WiMAX基于802.16標(biāo)準(zhǔn)，這樣只要符合該標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)就能確保彼此之間實(shí)現(xiàn)互操作性。這為WiMAX供應(yīng)商提高了靈活性，使他們能夠與各種廠商共同構(gòu)建自己的系統(tǒng)，而不用擔(dān)心可用性問題，也不必害怕系統(tǒng)更新與升級(jí)時(shí)發(fā)生不兼容，或延遲采購工作等。從廠商的角度來說，互操作性使小型公司也能進(jìn)入市場(chǎng)來分一杯羹。如果不能確保實(shí)現(xiàn)互操作性，那么只能信任大型企業(yè)提供的系統(tǒng)組件?；ゲ僮餍缘膬?yōu)勢(shì)則在于，小公司也能充分利用其自身的因特網(wǎng)協(xié)議(IP)技術(shù)，擠進(jìn)廠商行列，以提供各種系統(tǒng)組件，從而避免服務(wù)供應(yīng)商拴死在一家廠商上的風(fēng)險(xiǎn)，可以在不同廠商間自由選擇。

WiMAX采用互操作性標(biāo)準(zhǔn)，不過系統(tǒng)中仍存在許多變量，影響RF解決方案的實(shí)施。目前，WiMAX適用于3.5和5.6GHz頻帶以及無許可限制的2.5GHz頻帶。此外，還有一些新的4.9GHz和700MHz頻帶也采用WiMAX標(biāo)準(zhǔn)。就互操作性及全球兼容性而言，各公司都希望找到創(chuàng)造性的新方法來實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)勢(shì)和自身的獨(dú)特性能，以此在競(jìng)爭(zhēng)者中獨(dú)樹一幟，同時(shí)確保符合WiMAX標(biāo)準(zhǔn)的要求。用于WiMAX無線電技術(shù)實(shí)施的RF芯片組應(yīng)具備足夠的靈活性，以滿足多種實(shí)施方案的要求，并應(yīng)具備足夠的性能，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。我們所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)在于，確保滿足基本的功能要求，并了解更細(xì)微的性能參數(shù)架構(gòu)要求，同時(shí)仍能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。確保有關(guān)參數(shù)滿足WiMAX規(guī)范要求至關(guān)重要，只有這樣才能設(shè)計(jì)出穩(wěn)健的、適合于制造要求的解決方案。

WiMAX發(fā)送器

發(fā)送器的關(guān)鍵性能參數(shù)是其在給定功率下的誤差矢量幅度(EVM)。EVM表示數(shù)字星座圖(digital constellaTIon)通過發(fā)送器之后的完整性。發(fā)送器EVM衰減的主要原因在于本地振蕩器(LO)源和最終功率放大器的相位噪聲。由于功率放大器的影響非常大，我們有必要討論一下發(fā)送器在給定輸出功率條件下的EVM性能。EVM參考為2.7%。與蜂窩式系統(tǒng)及802.11參數(shù)不同，EVM的要求要嚴(yán)格得多，我們通常以分貝為單位來計(jì)算EVM值，從而提高精確度。2.7%的標(biāo)準(zhǔn)值相當(dāng)于-31.4dB。我們根據(jù)EVM為-31.4甚至更好的情況下的最大額定調(diào)制功率來確定發(fā)送器的性能。

客戶端設(shè)備(CPE)戶外系統(tǒng)與基站連接的線路通常不受什么障礙物的影響，輸出功率額定為20dBm。部署于建筑物內(nèi)的系統(tǒng)必須解決嚴(yán)重的多路徑環(huán)境問題，否則會(huì)使額定功率提高到24至27dBm。如果基站傳輸功率為4W至20W，那么還需要采用更嚴(yán)格的額定功率，這主要取決于所需的連接距離以及系統(tǒng)實(shí)施方案。

設(shè)計(jì)人員在提高系統(tǒng)的額定功率輸出時(shí)，必須調(diào)整功率放大器這一主要器件。由于功率放大器對(duì)EVM的影響很大，因此我們應(yīng)采用體積更大、穩(wěn)健性更高的器件，這樣就能在滿足EVM參數(shù)-31.4dB的同時(shí)獲得更高輸出功率。但這還不足以確保完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定絕對(duì)寄生輸出參數(shù)為-40dBm。不管輸出功率有多大，寄生信號(hào)都不能超過這個(gè)參數(shù)值。

隨著額定功率的提高，如果我們假定基帶處理器提供的輸入功率保持不變的話，那么發(fā)送器的增益也應(yīng)相應(yīng)提高。發(fā)送器增益的提高不僅將影響所需的信號(hào)，而且也將對(duì)不必要的寄生信號(hào)產(chǎn)生影響。由于寄生輸出參數(shù)是固定的，因此增益的提高會(huì)導(dǎo)致相對(duì)于參數(shù)的輸出寄生性能容限降低，因此如果系統(tǒng)原本滿足20dBm輸出功率的標(biāo)準(zhǔn)要求，那么由于增益的提高，就會(huì)難以滿足24dBm或更高輸出功率的要求。為了確保RF芯片組的靈活性并滿足多種情況下多種輸出功率要求，我們必須確保PA前具有約-37dB的良好EVM性能，并與寄生輸出參數(shù)保持7至10dB的容限。這樣，設(shè)計(jì)人員就能更加靈活的根據(jù)系統(tǒng)需要選擇適當(dāng)?shù)墓β史糯笃?，同時(shí)還能確保滿足EVM的要求，并不超過寄生輸出的限制。

WiMAX接收機(jī)

接收機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)是其靈敏度。有關(guān)規(guī)范制定了1E-6的最小誤碼率(BER)，達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)就能滿足規(guī)范的要求。在僅測(cè)試RF及模擬電路系統(tǒng)情況下，我們很難進(jìn)行實(shí)際的BER測(cè)量。我們通常將BER換算成EVM數(shù)值。根據(jù)二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)64-QAM調(diào)制信號(hào)而言，其靈敏度與-21.5dB的EVM值相當(dāng)。通常，將該值調(diào)整為-23.5dB以便保留2dB的設(shè)計(jì)裕量。

接收機(jī)還采用自動(dòng)增益控制(AGC)電路以達(dá)到向模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)提供固定功率的輸入信號(hào)。ADC的動(dòng)態(tài)范圍是固定的，而采用其整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍也是可行的。AGC會(huì)使電路增益隨輸入信號(hào)功率的改變而改變以確保AGC電路輸出功率為常量。為了達(dá)到所需的系統(tǒng)靈敏度，需要在含AGC接收電路在適當(dāng)輸入功率設(shè)置下，達(dá)到適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)噪聲系數(shù)性能。設(shè)計(jì)人員可通過添加額外的低噪聲放大器(LNA)或減小現(xiàn)有噪聲級(jí)的噪聲系數(shù)來修改系統(tǒng)噪聲系數(shù)，這兩種方法都能降低整體系統(tǒng)噪聲系數(shù)，并提高系統(tǒng)的靈敏度。

設(shè)計(jì)人員還應(yīng)考慮到與鄰道阻塞性能有關(guān)的WiMAX參數(shù)。該參數(shù)顯示了接收機(jī)抗干擾信號(hào)的能力，以及接收機(jī)對(duì)相隔一兩個(gè)通道的阻塞抑制功能。這種接收機(jī)參數(shù)要求非常嚴(yán)格，這表明接收機(jī)工作狀態(tài)的線性性能要求以及線路中濾波器的位置及選擇性。如果我們?nèi)我獾乜吭黾覮NA來降低系統(tǒng)噪聲系數(shù)與提高靈敏度，那么反而可能會(huì)對(duì)阻塞性能產(chǎn)生消極影響。

我們針對(duì)兩種工作情況制定了接收機(jī)(RX)阻塞規(guī)范：一是工作在接近最小靈敏度時(shí)；二是工作在接近最大輸入功率時(shí)。這兩種極端情況反映了接收機(jī)在最大和最小增益設(shè)置下的情況。就最大增益來說，規(guī)范要求接收機(jī)工作在靈敏度水平上，即這時(shí)的輸入功率為系統(tǒng)檢測(cè)到EVM值為-23.5dB時(shí)的最小功率，另外加上3dB作為系統(tǒng)輸入信號(hào)功率，這就使EVM性能好于-23.5dB。相鄰或相隔一個(gè)通道的阻塞信號(hào)以與所需信號(hào)相同的功率級(jí)進(jìn)行傳輸并不斷增加阻塞信號(hào)功率，直到系統(tǒng)EVM退減至-23.5dB為止。阻斷性能由所需信號(hào)和干擾信號(hào)之間的差值表示。同樣，最小增益情況下，輸入功率以相對(duì)較高的功率進(jìn)行傳輸：-30dBm。阻斷信號(hào)以相同功率進(jìn)行傳輸，此時(shí)逐漸減小輸入信號(hào)功率，同時(shí)根據(jù)所需設(shè)置點(diǎn)調(diào)節(jié)AGC，直到系統(tǒng)EVM降至23.5dB為止。這種情況下，阻斷性能也由所需信號(hào)和干擾信號(hào)之間的差值表示。規(guī)范要求所需信號(hào)和阻斷信號(hào)之間的差值為相鄰?fù)ǖ罏?dB，相隔通道為11dB。

檢測(cè)性能

我們通過采用TSW5003參考設(shè)計(jì)板的TIWiMAX芯片組來檢測(cè)發(fā)送器和接收機(jī)的WiMAX系統(tǒng)參數(shù)。圖1顯示了采用超外差架構(gòu)的五芯片組解決方案的結(jié)構(gòu)圖。



圖1：TITSW5003參考設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

該解決方案采用10MHz寬的表面聲波(SAW)濾波器，配合使用多種常見的信號(hào)頻帶寬度：3.5MHz、7MHz、5MHz和10MHz。TRF1223PA為1W的A類放大器，它能在一定溫度和頻率范圍內(nèi)提供20dBm的調(diào)制輸出功率。圖2所示為EVM性能曲線。



圖2：TSW5003收發(fā)機(jī)EVM性能與功率輸出

上述曲線清晰表明無線電技術(shù)就EVM性能而言的額定輸出性能，但仍不能反映整體性能情況。盡管在EVM性能較好情況下，收發(fā)器(TRX)頻譜模板等參數(shù)可能會(huì)符合要求，但仍不能確保寄生輸出的性能。我們可有效利用基帶、中率（IF）和RF濾波器來大幅降低各種與混頻器的載波饋通、DAC鏡像及第二諧波等相關(guān)的各種預(yù)期寄生信號(hào)。有關(guān)諧波以及時(shí)鐘信號(hào)與LO信號(hào)互調(diào)混合產(chǎn)物的寄生信號(hào)更加難以預(yù)測(cè)，這會(huì)造成嚴(yán)重障礙，特別是隨著芯片組集成度的提高，隔離方面的問題將更難以控制。

額定為20dBm的TSW5003設(shè)計(jì)方案在額定功率下寄生輸出不大于-50dBm，這樣可提供10dB的容限。提供一定的設(shè)計(jì)容限也很好，可以使解決方案靈活地采用更高的額定功率。舉例來說，室內(nèi)應(yīng)用的額定功率會(huì)提高到24至27dBm，這樣我們采用適當(dāng)?shù)墓β史糯笃鞑⒆鱿鄳?yīng)改動(dòng)就可替代現(xiàn)有的功率放大器。與此同時(shí)，隨著功率的提高，增益也增加了4至7dB，這會(huì)降低寄生輸出的容限，不過至少還會(huì)剩下3至6dB的容限。

圖3顯示了接收機(jī)EVM曲線以及-20dBm的ADC恒定輸入功率。根據(jù)該圖形信息我們可得知接收機(jī)靈敏度，不過仍不能確保阻塞測(cè)量情況符合標(biāo)準(zhǔn)要求。與發(fā)射器相比較，接收機(jī)需要特定的帶寬限制濾波器來滿足相鄰?fù)ǖ赖淖枞?。該架?gòu)可支持高中頻SAW濾波器和兩個(gè)可交換的低中頻濾波器。高IF濾波器有10MHz的帶寬可傳輸10MHz或更低帶寬的所需信號(hào)。低頻IFSAW無需修改任何硬件即可支持兩個(gè)不同的信號(hào)帶寬。TRF1212中大動(dòng)態(tài)范圍的AGC放大器與濾波器能在接收靈敏度狀況下滿足阻塞測(cè)試規(guī)范。憑借上述方法以及TRF1216LNA中的集成可開/關(guān)的衰減器，我們可以成功進(jìn)行高功率的阻塞測(cè)試，有助于提高高功率情況下的線性。圖4顯示了TSW5003的阻塞性能。



圖3：TSW5003接收機(jī)EVM曲線與輸入功率

接收機(jī)的高動(dòng)態(tài)范圍配合可交換的濾波器，有助于靈活地支持各種系統(tǒng)實(shí)施。盡管EVM初期掃描曲線不明顯，其他接收機(jī)特性對(duì)確保符合標(biāo)準(zhǔn)要求以及系統(tǒng)實(shí)施的靈活性仍是十分重要的。



圖4：TSW5003RX高低功率下的阻斷性能

結(jié)論

在WiMAX標(biāo)準(zhǔn)下采用RF芯片組時(shí)，我們應(yīng)進(jìn)一步了解性能標(biāo)準(zhǔn)，而不是只考慮標(biāo)準(zhǔn)的EVM性能。我們應(yīng)就寄生輸出以及RX阻塞等參數(shù)提供足夠的容限，這樣才能幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員推出創(chuàng)新性解決方案，從而滿足市場(chǎng)需求，并確保產(chǎn)品的穩(wěn)健性，便于投入生產(chǎn)。WiMAX的固定版標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)趨于確定，而802.16e移動(dòng)WiMAX標(biāo)準(zhǔn)正在受到越來越多的關(guān)注。由于標(biāo)準(zhǔn)尚未完全確定，而且越來越多的基帶供應(yīng)商不斷推出新型移動(dòng)產(chǎn)品，因此我們必須推出高性能、高度靈活的RF解決方案來應(yīng)對(duì)各種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這樣才能在市場(chǎng)中贏得成功。

我們以TI芯片組為例說明，它不僅能夠作為一款足夠靈活的解決方案，滿足WiMAX三大頻帶的工作要求，而且還能支持多種額定輸出功率與多種基帶處理器，適用于低IF或I/Q（正交）接口。