采用高靈活性RF解決方案應(yīng)對(duì)日益增加的頻率與無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)

[摘要:] 實(shí)現(xiàn)無(wú)縫語(yǔ)音連接的大趨勢(shì)正極大改變無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的需求。隨著無(wú)線市場(chǎng)向全球演進(jìn)。因此這些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)視國(guó)家和基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)程度的不同而工作于不同頻率。不斷演進(jìn)的射頻與不斷涌現(xiàn)的全新無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步推動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)全面集成的、自適應(yīng)芯片組的需求。滿足日新月異的無(wú)線市場(chǎng)需求的關(guān)鍵在于，我們需要推出一款整體解決方案，既能滿足OEM廠商對(duì)提高設(shè)計(jì)效率并同時(shí)降低設(shè)計(jì)成本的基本需求，又能進(jìn)一步確保提供增強(qiáng)型語(yǔ)音功能和高質(zhì)量的語(yǔ)音傳輸性能。本文將探討德州儀器(TI)推出的系列射頻收發(fā)器(TRF)模擬信號(hào)鏈解決方案及其靈活的設(shè)計(jì)特性與增強(qiáng)型音質(zhì)功能。此外，我們還將從市場(chǎng)與消費(fèi)者的角度淺談OEM廠商、服務(wù)供應(yīng)商乃至RF市場(chǎng)如何從中受益。

引言

能否實(shí)現(xiàn)無(wú)縫語(yǔ)音及數(shù)據(jù)連接技術(shù)將影響無(wú)線基礎(chǔ)局端的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)容量必須不斷提高，這要求更高帶寬的信號(hào)與多載波能力。發(fā)送器的功率及接收機(jī)的靈敏度越高，信號(hào)覆蓋范圍就越廣泛。為了確保信號(hào)無(wú)處不在，網(wǎng)絡(luò)需要更小型的微微基站 (pico base station) 遍布城市的各個(gè)角落以提供服務(wù)。為此，OEM 廠商應(yīng)在確保實(shí)現(xiàn)高效率、低成本設(shè)計(jì)的同時(shí)還能提供更高性能的設(shè)備。

此外，OEM 廠商的系統(tǒng)必須支持包括 CDMA2000、WCDMA、GSM 及 EDGE 等在內(nèi)的多種現(xiàn)有無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，以及諸如中國(guó)的 TD-SCDMA 和全球?qū)拵?shù)據(jù)服務(wù)的 WiMAX等各種新興標(biāo)準(zhǔn)。靈活的架構(gòu)應(yīng)滿足大多數(shù)甚至所有類(lèi)型的調(diào)制需求，這對(duì)最大限度地節(jié)約設(shè)計(jì)資源、提高可靠性至關(guān)重要。全球工作頻帶的多樣化進(jìn)一步加劇了復(fù)雜性，大多數(shù)語(yǔ)音通信所采用的頻率介于 800 MHz 至 2.1 GHz 之間，數(shù)據(jù)服務(wù)的頻率則在 3.5 GHz 至 5.6 GHz 之間。

上述頻帶的多樣化需要能夠滿足多種頻帶與各種無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)需求的高靈活性解決方案。鑒于此，TI 推出了一款可滿足上述要求的高靈活性直接上變頻解決方案，其優(yōu)異的 RF 性能能夠充分滿足嚴(yán)格的基站規(guī)范要求。此外，該解決方案的高集成度還理想適用于小型緊湊的低成本設(shè)計(jì)方案。

發(fā)送器架構(gòu)

發(fā)送器的兩大架構(gòu)選項(xiàng)是直接上變頻架構(gòu)和超外差架構(gòu)。傳統(tǒng)的超外差架構(gòu)包括兩個(gè)混頻階段 (mixing stage)，信號(hào)首先向上轉(zhuǎn)換為固定中頻 (IF) 信號(hào)，然后再通過(guò)窄帶表面聲波 (SAW) 濾波器。直接變頻方案繞開(kāi)了 IF 級(jí)，直接從基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為所選的 RF 通道信號(hào)。圖 1 給出了以上兩種架構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。

圖 1 超外差架構(gòu)與直接上變頻架構(gòu)

直接上變頻方案采用正交調(diào)制器 (quadrature modulator)，并且消除了采用額外混頻級(jí)、合成器以及 SAW 濾波器的麻煩，這不僅大幅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作，同時(shí)也顯著降低了材料清單 (BOM) 成本。此外，該方案可用于其中包括 CDMA、GSM 以及 OFDM 等在內(nèi)的各種調(diào)制技術(shù)，因而具有最高的靈活性。

由于無(wú)需采用窄帶濾波器，因此該架構(gòu)可支持與所選調(diào)制方案相對(duì)應(yīng)的各種信號(hào)帶寬。舉例來(lái)說(shuō)，除支持與 CDMA2000 和 WCDMA 相關(guān)的各種帶寬外，還支持范圍通常介于3.5 MHz 至 10 MHz 之間的各種 WiMAX 信號(hào)帶寬。由于無(wú)帶寬限制，因此同時(shí)也支持多載波應(yīng)用。此外，直接上變頻架構(gòu)還能支持?jǐn)?shù)字預(yù)失真 (DPD) 線性化信號(hào)。該信號(hào)的帶寬必須高達(dá)所需信號(hào)帶寬的五倍，該信號(hào)中包含為消除功率放大器的非線性影響而修正過(guò)的三階與五階產(chǎn)物。

直接上變頻調(diào)制器

直接上變頻調(diào)制器由差動(dòng)同相 (I) 與正交相 (Q) 信號(hào)組成，二者匯總于輸出端。直接上變頻法必須使用正交調(diào)制器。基于正交調(diào)制器固有特性，本機(jī)振蕩器 (LO) 自身信號(hào)及不必要的鏡像信號(hào)（或無(wú)用邊帶）無(wú)需濾波器就能自然被抑制。

邊帶抑制量取決于輸入正交分量的幅度與相位平衡。而LO 泄漏取決于IQ兩個(gè)輸入路徑間的 DC 偏移平衡。我們最好能讓器件本身對(duì)本振泄漏與無(wú)用邊帶的抑制性能優(yōu)于35 dBc，因?yàn)殡S著溫度的變化，正交調(diào)制器這兩個(gè)指標(biāo)可能會(huì)惡化。如果需要進(jìn)一步的抑制，我們還可在數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 中做進(jìn)一步微調(diào)。諸如 TI DAC5687 等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可提供具備內(nèi)置調(diào)節(jié)功能的 I/Q接口，從而可滿足幅度與相位平衡的要求，并支持 DC 偏移校正。

下表 1 給出了 TI TRF3703 調(diào)制器的關(guān)健參數(shù)。該調(diào)制器的線性及輸出噪聲參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能設(shè)置至關(guān)重要。這些參數(shù)決定了器件的工作輸出范圍，同時(shí)也會(huì)限制整個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)的最大輸出功率。對(duì)于如 CDMA 及 OFDM 等極高峰均比 (PAR) 的調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō)，調(diào)制器在傳輸信號(hào)峰值時(shí)要避免對(duì)相鄰頻道功率比 (ACPR) 性能造成較大負(fù)面影響，這對(duì)滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求是至關(guān)重要的。

表 1 TRF3703 RF 參數(shù)

我們只需回退正交調(diào)制器的輸出功率，理論上就可以提高 ACPR 性能。如果器件符合標(biāo)準(zhǔn)模型的話，那么每 1dB 的信號(hào)功率回退，三階產(chǎn)物就能降低 3dB。在某一輸出功率點(diǎn)，（不變的）器件噪底會(huì)主導(dǎo) ACPR 性能。為打破這一局面，關(guān)鍵在于保持調(diào)制器工作于足夠高的輸出電平上，這樣 ACPR 性能就不局限于器件的噪底了，不過(guò)也不能讓調(diào)制器輸出電平過(guò)高，要避免器件工作在非線性區(qū)降低 ACPR 性能。最佳電平取決于調(diào)制信號(hào)的 PAR 及載波數(shù)量。在大多數(shù)情況下，最佳窗體寬度僅為1至 2dB。

噪聲基底性能還決定著給定輸出功率下無(wú)線電技術(shù)能否滿足寄生要求。舉例來(lái)說(shuō)，調(diào)制器的輸出功率設(shè)為 -10 dBm以提供足夠的線性功能。20 W 的無(wú)線電系統(tǒng)會(huì)需要調(diào)制器輸出向天線輸入提供額外的 53dB 增益。假定不采用噪聲濾波，后續(xù)階段也不會(huì)增加額外的噪聲，那么在 1 MHz 帶寬（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下典型的噪聲帶寬）內(nèi)，輸出噪聲電平可通過(guò)以下計(jì)算得出：

噪聲功率 + 1 MHz BW [dB] + 增益 = 噪聲功率輸出

-163 dBm/Hz + 60 dB-Hz +53 dB = -50 dBm

對(duì)于所有頻率而言，上述配置的寄生輸出性能為：每1 MHz帶寬內(nèi)具有 -50 dBm 的噪聲輸出功率。這符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

合成器

調(diào)制器需要合成 LO 源，然后根據(jù)所選輸出頻道進(jìn)行編程。傳統(tǒng)的合成器實(shí)施方法是采用鎖相環(huán)芯片并配合使用外部壓控振蕩器 (VCO)。盡管這種方案可實(shí)現(xiàn)良好的性能，但 VCO 器件通常尺寸較大，成本不菲，并且只能工作在較窄的頻帶上。我們通過(guò)采用集成頻率合成器，就能大幅降低電路的復(fù)雜性。類(lèi)似于 TITRF3761 整數(shù) PLL 頻率合成器的只需一個(gè)外部環(huán)路濾波器即可，因?yàn)?VCO 已集成在硅芯片上了。可對(duì)環(huán)路濾波器進(jìn)行優(yōu)化，以加快 TDD 系統(tǒng)通常要求的鎖定時(shí)間。此外，該器件還采用“除二和除四”特性，使一個(gè)器件能適應(yīng)較大的工作范圍。

盡管集成型頻率合成器能顯著縮小系統(tǒng)尺寸并降低成本，但相位噪聲是非常關(guān)鍵的參數(shù)，其性能不容衰減。LO 的相位噪聲信號(hào)將被傳輸至調(diào)制器的輸出信號(hào)上，這對(duì)于高帶寬 CDMA 調(diào)制信號(hào)、GSM 等窄帶調(diào)制信號(hào)以及 WiMAX 信號(hào)所用的 OFDM 調(diào)制等高頻子載波系統(tǒng)而言，同等重要。合成器的相位噪聲肯定會(huì)影響發(fā)送器的誤差矢量幅度 (EVM) 性能。當(dāng)頻率為 1.8 GHz 時(shí)，TRF3761 能在 10 MHz頻偏時(shí)提供-160 dBc/Hz的閉環(huán)相位噪聲。在低頻情況下對(duì)器件加以?xún)?yōu)化后還能進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。

測(cè)量結(jié)果

TI 提供的 TSW3003 參考設(shè)計(jì)顯示了發(fā)送器直接上變頻架構(gòu)。該電路板采用可驅(qū)動(dòng) TRF3703 正交調(diào)制器的 DAC5687 器件。TRF3761 集成合成器可提供 LO 源。采用 WCDMA 信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)該電路板的 ACPR 性能如圖 2 所示。從圖中我們可以看出，單載波輸出功率為 -12 dBm 時(shí)，ACPR 性能在 2.17 GHz 內(nèi)可提供 -77 dBc 的噪聲功率輸出。

圖2 采用WCDMA 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的 TSW3003 ACPR 性能

采用 EDGE 信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，我們對(duì) EVM 進(jìn)行測(cè)量。TSW3003 電路板的 EVM 性能小于1.5%。當(dāng)頻率為 1800 MHz 時(shí)，其測(cè)量結(jié)果如圖 3 所示。

圖 3 采用EDGE 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的 TSW3003 性能

就采用 OFDM 及 64 QAM 調(diào)制方案的 WiMAX 信號(hào)而言，我們也可通過(guò)上述方案進(jìn)行處理并獲得相近性能。WiMAX 的關(guān)鍵性能參數(shù)為 EVM 性能。該系統(tǒng)在 2.5 GHz 輸出上的 EVM 優(yōu)于 -40 dB，如圖 4 所示。盡管功率放大器不可避免會(huì)出現(xiàn)衰減，但上述參數(shù)盡可能地降低了性能衰減。

圖 4 采用64-QAM WiMAX 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的 TSW3003 性能

上述不同調(diào)制信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)與頻率下的測(cè)量結(jié)果顯示了器件的靈活性與性能，這有助于 OEM 設(shè)計(jì)人員在不影響系統(tǒng)性能并確保滿足有關(guān)規(guī)范要求的情況下能夠提供更小型的低成本器件。

作者：Russell Hoppenstein 德州儀器(TI)

關(guān)于作者：Russell Hoppenstein 現(xiàn)任 TI 位于得克薩斯州達(dá)拉斯市總部無(wú)線基礎(chǔ)局端業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé) WiMAX 產(chǎn)品組的 RF 應(yīng)用工程師。他在移動(dòng)通信局端設(shè)備及 WiMAX 系統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域擁有超過(guò) 14 年的豐富工作經(jīng)驗(yàn)。Hoppenstein 先后畢業(yè)于得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校 (University of Texas at Austin) 以及得克薩斯大學(xué)阿靈頓分校 (University of Texas at Arlington)，分別獲學(xué)士學(xué)位及電子工程碩士學(xué)位。他的電子郵件為：rhoppenstein@ti.com。