MIMO RF前端模塊：開拓新的市場領域

　　802.11n的優(yōu)勢

　　與現(xiàn)有的無線數(shù)據(jù)標準比較，802.11n具有多項優(yōu)勢。802.11n的數(shù)據(jù)傳輸率為200 到 400 Mbps，能提供一條足夠?qū)挼臄?shù)據(jù)信道，實現(xiàn)家居聯(lián)網(wǎng)和下載，以及媒體內(nèi)容發(fā)送 (media distribution)。此外，該標準還有兩項優(yōu)點 (雖然兩者往往因為速度更高這一優(yōu)勢而為人所忽略)，就是其頻率范圍比現(xiàn)有802.11a/b/g 標準的增大了 20% 到 30%，并具有對 802.11a/b/g 的后向兼容性。后向兼容性能讓使用者在家居、辦公室和旅途應用 (雖然數(shù)據(jù)傳輸率和頻率范圍可能比完整 MIMO 解決方案的小) 中使用相同的設備。802.11n客戶卡 (client card) 于所有的可能情況下都會使用802.11n；而在現(xiàn)有熱點 (hotspot) 則退回到802.11a/b/g標準。與其它的競爭方案相比，802.11n最終的優(yōu)勝之處是它使用和 802 a/b/g 標準相同的頻譜，都是2.4 和 5 GHz 。這就讓制造商能夠充分享受現(xiàn)有工藝技術、組件和供應商所帶來的規(guī)模經(jīng)濟效益 (economies of scales)，使高速網(wǎng)絡的費用更為低廉。

　　RF設計的技術挑戰(zhàn)

　　分配式誤差向量幅度 (Error Vector Magnitude, EVM) 對總吞吐量和性能是非常重要的。一個完整的前端模塊在額定輸出功率下應該具有小于3% (-30 dB) 的分配式 EVM (contributed EVM)。在MIMO中，則要求更好的線性度。為什么呢？因為要抽取信道模型，您需要有一個非常好的發(fā)射器。如果用作信道模型抽取的發(fā)射器的EVM很差，那么 MIMO 的性能便會大打折扣。不過，單憑 EVM 標準尚不足夠。前端模塊的 EVM 特性應該盡可能接近如圖 1a 所示的指數(shù)曲線，而不是像圖1b 那樣有一個“最佳點”(sweet spot)。圖 1b 中的特性曲線有一個 1 或 2 dB的最佳點，功率放大器 (PA) 必須在這個點上工作，提供規(guī)定性能。在最佳點以上或以下，工作前端模塊都會產(chǎn)生額外的 EVM，并降低吞吐量。這里主要的問題在于此最佳點會隨工藝、電壓、匹配電路以及溫度而漂移，因此 EVM的分配會增大，而吞吐量則下降。具有這類性能的前端模塊將很難應用在需要保證最低性能標準的產(chǎn)品中。

　　此外，當不同地區(qū)對于輸出功率限制有不同的條例標準時，一個具有指數(shù)EVM特性的前端模塊就可以讓您在全球各地使用相同的設計。在設計時以用于輸出功率最高的地區(qū)為目標，而當該設計用于其它地區(qū)時，其性能便可以提高。不過，對具有圖1b所示 EVM 特性的前端模塊而言，情況卻并非如此。

　　對于 MIMO 來說，指數(shù) EVM 特性提供了類似的優(yōu)勢。某些條例機構把這一功率定義為所有天線的總功率。所以，即使前端模塊能夠為每條天線提供較大的輸出功率，但輸出功率也可能需要補償 3-6 dB以符合條例要求。然而在同樣的產(chǎn)品中，如果使用原有 802.11 a/b/g 標準的單一天線時，使用者都希望能以最高的輸出功率進行發(fā)射。如上所討論，在不同功率級之下以圖 1b 中特性工作將引起性能下降。

　　外形尺寸

　　隨著標準化產(chǎn)品尺寸日漸縮小，無線標準也變得越來越復雜，并要求具有更多的電路和更高的功耗，這實實在在地為 RF 設計人員帶來了極端的挑戰(zhàn)。

　　最新外形尺寸的 PCIE 迷你卡，只有目前占WLAN市場主導地位的迷你PCI卡大小的一半。迷你PCI 卡廣泛應用于筆記本計算機、個人計算機和接入點。這些現(xiàn)有設計只使用了一個 RF 發(fā)射鏈路和一個RF接收鏈路；但 MIMO 802.11n 應用卻需要兩個 RF 發(fā)射鏈路和兩個 RF 接收鏈路，如圖2所示?？紤]到組件的數(shù)量，加上為了生產(chǎn)需要而設立的禁止布線區(qū)域 (keep out areas)，若要在PCIE 迷你卡的尺寸上實現(xiàn)這些電路實在極富挑戰(zhàn)性。然而，這正是 MIMO 前端模塊的真正優(yōu)勢所在：經(jīng)過全面測試的單一 RF解決方案，集成了從收發(fā)器輸出到天線所需的全部電路。

　　要比較前端模塊的集成度，進行嚴格的同模擬較是很重要的。有時，功能性(functionality) 會被 RF 功能 (輸出功率、EVM) 的強大優(yōu)勢所掩蓋，但它對成本和關鍵的電路板空間卻是非常重要的。

　　控制接口：控制接口是CMOS嗎？如果不是，將需要額外的電路來連接前端模塊和IC。

　　偏置電壓：前端模塊需要偏置電壓嗎？若需要，則常常需要外置調(diào)節(jié)器來提供典型范圍在 2.7 到 2.9V 之間的偏置電壓，并利用額外的晶體管電路來啟動偏置電壓或使之失效。除了尺寸和成本外， 前端模塊 (FEM) 的性能也直接與偏置電壓相關，后者會隨溫度和電壓而變化。

　　電流消耗

　　盡管開發(fā)人員可能認為電流消耗和外形尺寸沒有關聯(lián)，但事實上由前端模塊電流消耗所引起的三個問題中，有兩個都與外形尺寸有直接關系。

一直以來，電流消耗都和電池壽命有關。產(chǎn)品開發(fā)人員希望以最低的電流消耗獲得最高的功率，有時甚至愿意接受稍低的輸出功率，以換取延長10% 的電池使用壽命。同樣的問題也存在于 MIMO 應用中，只是情況更甚，因為這些應用里有兩個完整的發(fā)射鏈路同時工作。這意味著前端模塊供應商必須開發(fā)出更高效、更低電流消耗的模塊來滿足 MIMO 市場的需要。若 MIMO 進入 PDA、手機和游戲機等電池更小的嵌入式應用領域，這將變得更為關鍵。

雖然電池壽命很重要，但開發(fā)高效前端模塊另一個更重要的原因，是外形尺寸標準清楚限定了有多少功率提供給PCI卡。在原有的 802.11 a/b/g 標準下，這些卡所消耗的電流與這些規(guī)格所限的相距甚遠。不過，隨著工藝技術不斷提高，而 MIMO系統(tǒng)具有多個信道，PCI卡所消耗的電流可能已經(jīng)很接近、甚至超過了外形尺寸標準規(guī)定的限值。由于 PA 一般來說是電流消耗最大的器件，因此前端模塊供貨商面對著更大的壓力，必須推動技術和物理學的發(fā)展，以實現(xiàn)高效解決方案。

　　前端模塊

　　本身也設計 PA 和開關等組件的前端模塊制造商，能夠采用一些技術來讓匹配和偏置達到最佳化，把發(fā)射接收鏈路中的損耗減至最少。此外，他們也可以利用新的技術，以達到高集成度以實現(xiàn)這種小外形尺寸。這些技術都是目前市場上可見的組件所沒有的。

　　憑借一種經(jīng)全面測試而且能夠滿足高輸出功率、低EVM和低電流消耗要求的解決方案，單一前端模塊便可以解決前面討論過的所有系統(tǒng)問題，協(xié)助開發(fā)商加快產(chǎn)品面市的速度。由于這種前端模塊是經(jīng)過全面測試的解決方案，能夠取代約60個組件，因此終端產(chǎn)品的良率將得以提升。較之使用多個具有較低集成度的前端模塊，單一前端模塊具有更大的優(yōu)勢，因為每一個組件都有其禁止布線區(qū)域，組件越多需要占用的電路板面積也就越多。此外，一般而言，這些前端模塊的接腳與收發(fā)器界面成鏡像化 (mirror)，故限制了設備所能提供的規(guī)模經(jīng)濟效益。