上網(wǎng)時(shí)間 : 2007年07月11日
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WiMAX標準的受歡迎程度日益上升，而且802.16標準的主導地位也在不斷穩固，該技術(shù)必將成為一項長(cháng)期而前景廣闊的技術(shù)。在手機產(chǎn)業(yè)的寬帶無(wú)線(xiàn)覆蓋以及高速回程應用(backhaul application)方面，802.16d固定標準已經(jīng)獲得其立足之地。隨著(zhù)能夠支持主要的WiMAX頻帶的RF芯片組的推出，其他創(chuàng )新性的通信應用也應運而生。隨著(zhù)固定標準不斷推廣，業(yè)界的關(guān)注重點(diǎn)正轉向802.16e標準，即WiMAX的移動(dòng)標準。這些器件將有助于實(shí)現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(huà)所采用。
最初的設計重點(diǎn)是
CPE市場(chǎng)，其商業(yè)模型側重于大規模制造以及高銷(xiāo)量。WiMAX基站收發(fā)臺(
BTS)解決方案緊隨其后，實(shí)現完整的系統解決方案。BTS是一種量較低(成本較高)的系統，通常對更高的RF架構性能考慮重于對成本的考慮。此外，由于BTS的靜態(tài)特性，在機械外殼、散熱片和電源設計上具有更多的回旋余地，因此這些不會(huì )對收發(fā)器設計產(chǎn)生什么局限性。
顯然，就上述WiMAX系統而言，沒(méi)有絕對正確的架構。每種選擇都有其優(yōu)缺點(diǎn)，設計工程師必須權衡比較，才能實(shí)現系統的目標。我們要根據CPE和BTS等不同應用需求來(lái)有選擇性地考慮不同的RF架構，分析其主要的優(yōu)劣勢。
數字基帶到RF接口
RF架構首先要考慮的問(wèn)題就是定義數字基帶處理器與RF電路之間的信號接口。信號接口有兩種選擇：低中頻(IF)與I/Q(正交)接口。數字基帶處理器可能僅具備一種接口選項，因此設計工程師也就別無(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數字處理器通常集成了數據轉換器，因此預定義了連接到RF電路的接口。由于數據轉換器屬于外部器件，我們可根據架構的選擇來(lái)確定所匹配的數據轉換器，因此BTS的靈活性更高。
低IF接口針對數據轉換器的發(fā)送(TX)和接收(RX)采用單一的信號路徑。對低IF頻率的選擇可能受限于RF芯片組電路，或者受到數據轉換器采樣率的影響，數據轉換器的采樣率必須至少是信號帶寬最高頻率的兩倍。但在實(shí)踐中，對數據轉換器采樣率的選擇往往要高得多，以確保保持信號完整性，同時(shí)使在數據轉換器鏡像信號以及雜散信號被推高，以輕松實(shí)現模擬濾波。要達到WiMAX標準，必須消除由轉換器生成的輸出雜散信號。例如，18MHz的低IF傳輸信號帶寬為3.5MHz，這就要求數模轉換器(DAC)采樣率至少達40MSPS才能滿(mǎn)足信號最高頻率的要求。如果轉換器采用更高的采樣率，那么DAC鏡像信號就會(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)現濾波工作。
I/Q接口采用兩個(gè)連接至數據轉換器的正交信號。通常，信號位于基帶(即以0Hz為中心)，不過(guò)也可讓I/Q接口的信號以某個(gè)低中頻為中心。低中頻的I/Q接口通常不適合CPE應用，但在采用高性能數據轉換器的BTS應用領(lǐng)域卻非常有用。由于整體信號被拆分為正交分量信號，因此每個(gè)路徑的信號帶寬減半，這樣數據轉換器的采樣率就不會(huì )要求那么嚴格，盡管需要兩個(gè)轉換器。
盡管低IF接口可簡(jiǎn)單地采用混頻器將輸入信號轉換為較高頻，但I/Q接口要求采用調制器或解調器。此后，我們說(shuō)到調制器一詞時(shí)，將同時(shí)指調制器和解調器，因為兩種器件的特性基本相似。調制器內部采用兩個(gè)由LO正交信號驅動(dòng)的兩個(gè)混頻器。
盡管調制器比簡(jiǎn)單的混頻器要復雜些，但其擁有一項重要優(yōu)勢，即可自然地對LO信號和鏡像頻率進(jìn)行抑制。抑制量取決于兩大參數：DC偏置平衡與正交平衡，相內(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，因為它非常接近于目標信號。信號路徑間的幅度和相位平衡將決定鏡像信號或不需要的邊帶的抑制。與DC偏置情況類(lèi)似，抑制鏡像頻率對符合相關(guān)標準要求也非常重要，因為它通常會(huì )接近目標信號。
相關(guān)參數通常非常敏感，我們經(jīng)常需要微調DC偏置、信號幅度以及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)境下的參數校準和參數調節是架構設計的重要組成部分，同時(shí)對I/Q接口的實(shí)現也至關(guān)重要。
超外差或直接變頻架構
建立了接口之后，設計工程師就應該選擇適當的RF鏈轉換架構。對于大多數應用而言，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(zhù)采用何種類(lèi)型的器件以及所需濾波器的數量。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)是一種雙轉換方案，即先將輸入信號轉換為中頻，再將其轉換為適當的RF通道。在這種架構下，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節的LO，將信號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傳輸到放大器和PA，通過(guò)天線(xiàn)傳播開(kāi)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，避免嚴重影響到的射頻靈敏度。RX阻斷器的性能是確保符合WiMAX標準的關(guān)鍵參數。
直接變頻架構是將輸入信號直接變頻為所需的RF通道，不采用中頻。超外差射頻技術(shù)采用低IF轉換或I/Q調制器來(lái)進(jìn)行中頻轉換，而直接變頻射頻技術(shù)則需采用正交調制器。由于該架構中沒(méi)有選擇性較高的SAW濾波器，因此必須利用調制器來(lái)抑制鏡像頻率和載波分量。我們可將LO頻率調至適當通道，將輸入信號轉換為期望的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)應具備優(yōu)異的動(dòng)態(tài)范圍和適當的基帶濾波技術(shù)，以處理相鄰信道的干擾和窄帶干擾，從而避免對無(wú)線(xiàn)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)鍵參數是傳輸輸出噪聲，單位為dBc/Hz。如果沒(méi)有IF濾波的話(huà)，那么調制器的所有噪聲都將到達PA，從而通過(guò)天線(xiàn)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(mǎn)足WiMAX標準的要求及其它相關(guān)規范。直接變頻架構采用盡可能少的濾波器和合成器，這對于低成本設計方案而言是相當有利的，不過(guò)同時(shí)也對調制器和解調器器件提出了極高的性能要求。我們必須注意采用適當的器件，使其滿(mǎn)足所有的相關(guān)標準要求，這樣才能確保該方法的可行性。
針對CPE的WiMAX系統
CPE(用戶(hù)端設備)是一種高銷(xiāo)量的產(chǎn)品，它不僅需要符合WiMAX規范，而且還要求滿(mǎn)足低成本目標，同時(shí)在制造過(guò)程中還要具有高度的性能穩健性，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。變頻架構的選擇是一個(gè)相關(guān)性很強的問(wèn)題。為了確保滿(mǎn)足WiMAX標準，設計工程師通常首先會(huì )選擇低IF、雙變頻射頻技術(shù)。這時(shí)，類(lèi)似于TSW500x參考設計中的TI TRF1xxx系列器件就能實(shí)現符合WiMAX標準要求的收發(fā)器，而且還能滿(mǎn)足WiMAX對頻率、功耗以及溫度的要求。圖1給出了該架構的結構圖。
圖1：TSW500xWiMAX參考設計結構圖
在下一代的設計中，在性能上將有望保持與當前的固定WiMAX技術(shù)相關(guān)的性能標準，同時(shí)提高集成度，進(jìn)而降低移動(dòng)應用的成本。我們可采用直接變頻架構來(lái)實(shí)現上述目的，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，圖2給出了這兩種架構的結構圖。兩種架構均能降低成本、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的DC偏置平衡和正交平衡，并且具有適當的動(dòng)態(tài)范圍以處理阻斷信號(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(mǎn)足減少雜散和RX阻斷器的要求。只要采用了正確的設計方案，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構圖
針對BTS的WiMAX系統
對于BTS系統而言，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系統采用開(kāi)環(huán)PA，能夠向天線(xiàn)提供2到4瓦的調制功率。采用這種PA技術(shù)時(shí)，我們用了足夠高功率的PA末級晶體管(final transistor)來(lái)實(shí)現期望的調制功率輸出，通過(guò)足夠地補償(back off)放大器來(lái)實(shí)現適當的誤差矢量幅度(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系統將需要更高的功率，這使得補償線(xiàn)性化方法就難以為繼了。設計工程師開(kāi)始考慮其他的線(xiàn)性化方案。他們先用波峰因數降低技術(shù)(CFR)在進(jìn)行數模轉換前降低信號域中到達信號的功率峰均值比(PAR)。由于WiMAX信號對帶內信號完整性的要求非常嚴格，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，設計工程師將采用數字預失真(DPD)線(xiàn)性化方法。該技術(shù)將修改數字輸入信號，這樣，在信號通過(guò)非線(xiàn)性功率放大器之前，我們能抑制掉不必要的互調信號。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。
DPD有兩種特殊的架構要求。一是需要在PA后提供反饋路徑，以便為進(jìn)行線(xiàn)性化系數的自適應調節向DPD處理器發(fā)送輸出信號，從而在不同輸出功率和環(huán)境條件下保持良好的線(xiàn)性化效果。如果采用時(shí)分雙工(TDD)WiMAX系統的話(huà)，這一要求可以忽略，因為這時(shí)已經(jīng)有了接收機，并且在傳輸周期中處于空閑狀態(tài)。
第二個(gè)要求與預失真信號的帶寬相關(guān)。DPD信號將包括用于抑制由PA生成的三階與五階產(chǎn)物。這樣，輸入信號會(huì )是所需信號的五倍。超外差無(wú)線(xiàn)電廣播技術(shù)中所用的SAW濾波器與所需信號寬度相同，不足以讓DPD信號通過(guò)。此外，過(guò)長(cháng)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DPD自適應算法產(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正交調制器和執行驅動(dòng)功能的DAC提出了極高的性能要求。例如，TI的DAC5687配合TRF3703正交調制器就是一個(gè)典型的應用實(shí)例，如圖3所示。
圖3：DPD直接上變頻結構圖
DAC5687擁有超過(guò)500MSPS的采樣率以及內置的調節功能，可實(shí)現DC偏置校準以及幅度和相位平衡等。調制器具備足夠寬泛的動(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信號通過(guò)。上述技術(shù)相結合，我們可將DPD用于蜂窩信號，同樣也可應用于WiMAX系統。
出于對稱(chēng)原因，BTS接收機也可采用直接下變頻架構。不過(guò)，由于對阻斷器的嚴格要求，我們可能需要在超外差方案中采用窄帶濾波技術(shù)。BTS設計工程師可選擇混合架構方法，其中采用DPD的發(fā)送器使用直接上變頻調制器，而接收機則采用雙通道轉換機制，當接收機用作DPD反饋路徑時(shí)可選擇繞開(kāi)IF SAW濾波器。該方案在整個(gè)系統中實(shí)現了每種架構的最佳優(yōu)勢。
本文小結
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為我們提供了基本的信息，有助于我們設計出高性能，并且可大規模制造低成本的產(chǎn)品，從而適應并迎合當前商業(yè)環(huán)境的需求。接口選擇主要由數字基帶決定。是采用雙轉換還是采用直接上變頻或下變頻技術(shù)，這要在性能和復雜性之間進(jìn)行權衡取舍。沒(méi)有絕對正確的方法，每種方法都各有千秋。我們應努力實(shí)現具有最高性能和靈活性的方案，這樣才能為RF設計工程師提供最佳的商業(yè)模型，從而滿(mǎn)足日新月異的標準要求。
作者：
Russell Hoppenstein
射頻應用工程師
德州儀器公司
rhoppenstein@ti.com
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* 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)與需要授權或免授權的微波設備相結合之后，由于成本較低，將擴大寬帶無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)，改善企業(yè)與服務(wù)供應商的認知度。 該技術(shù)以IEEE 802.16 的系列寬頻無(wú)線(xiàn)標準為基礎。一如當年對提升802.11使用率有功的Wi-Fi 聯(lián)盟，WiMAX 也成立了論壇，將提高大眾對寬頻潛力的認識，并力促供應商解決設備兼容問(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(xiàn)設備的標準。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(xiàn)網(wǎng)方式），但是有助于統一技術(shù)的規范，有了標準化的規范，就可以以量制價(jià)，降低成本，提高市場(chǎng)增長(cháng)率。短期而言（2004年），WiMAX 論壇將在年底之前，著(zhù)手開(kāi)發(fā)認證流程，為最后一步的產(chǎn)品測試預作準備。2005年左右，大型供應商將推出擁有WiMAX 認證的產(chǎn)品，多數產(chǎn)品的頻率不超過(guò)11GHz.長(cháng)期而言，WiMAX 將進(jìn)步到可以支持最后一哩，回程、私人企業(yè)應用。2006/07 年左右，WiMAX 解決方案將內建于筆記本電腦，可直接進(jìn)行客戶(hù)端發(fā)送，遞送真正的便攜式無(wú)線(xiàn)寬頻，不需外接的客戶(hù)端設備(CPE )。
