通信網(wǎng)banner.jpg)
相關(guān)專題：
WiMAX可以滿足包括免授權(quán)和需要授權(quán)頻段的整個(gè)無(wú)線市場(chǎng)的需求，但這使得RF電路愈加復(fù)雜。本文將討論某些重要的、關(guān)系到成本W(wǎng)iMAX規(guī)范的RF系統(tǒng)模塊、合成器、功率放大器和濾波器功能。
MIMO、ASS與OFDMA面臨的RF挑戰(zhàn)
天線分集是一種以較低成本增強(qiáng)低成本用戶站性能的重要技術(shù)，它有助于減輕一些嚴(yán)重降低系統(tǒng)性能，甚至在一些情形下導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行的信道損耗(如多路徑、遮蔽及干擾)所造成的影響。由于采用多個(gè)天線，系統(tǒng)的鏈路預(yù)算可通過(guò)降低信道衰落或在某些實(shí)施中提供陣列增益而得到顯著提升。按由低到高的復(fù)雜性實(shí)施多種設(shè)計(jì)方案，最終都將獲得最佳增益�；驹O(shè)計(jì)包括選擇分集合成(SDC)、等增益合成(EGC)以及最大比率合成(MRC)。SDC方案對(duì)多個(gè)天線分支的接收性能進(jìn)行采樣，并從中選出能夠使接收器信噪比最大的天線分支。為確保正常工作，每個(gè)天線分支必須不受信道衰落特性的影響。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以讓天線在空間上彼此分離，并采用不同的極性，亦或采用天線的組合設(shè)計(jì)。通過(guò)零階貝塞爾函數(shù)，利用方程ρ=J02(2nd／λ)近似計(jì)算得出天線的空間相關(guān)性(見(jiàn)下圖)。從圖中可看出，通過(guò)使空間分離度高于三分之一波長(zhǎng)并滿足小外形用戶站的需求，可獲得相對(duì)無(wú)關(guān)聯(lián)的天線分支。
為獲得最佳SDC性能，選擇過(guò)程和數(shù)據(jù)收集必須在相干時(shí)間內(nèi)完成。相干時(shí)間是傳播波在時(shí)間和空間上保持近似恒定的相位關(guān)系的一段時(shí)間。當(dāng)相干時(shí)間過(guò)去后，應(yīng)再次對(duì)天線進(jìn)行采樣，以計(jì)算預(yù)期的信道變化，并支持再次選擇最佳天線。對(duì)希望具有交互式上行鏈路(UL)和下行鏈路(DL)信道特性的TDD系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，選定的接收天線也可作為發(fā)射天線使用。SDC技術(shù)看似簡(jiǎn)單，但如果算法有效，系統(tǒng)增益可以得到很大提升。
有兩個(gè)性能指數(shù)可以衡量天線分集方案的增益提升效果，即分集增益和陣列增益。在變化的信道條件下，與單天線陣列系統(tǒng)相比，分集增益相當(dāng)于降低了多天線陣列系統(tǒng)中本地信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)的增益變化。分集增益增加使得衰落深度減小，這是因?yàn)槎嗵炀�系統(tǒng)的每個(gè)天線根據(jù)不同的頻率和時(shí)間采用不同的衰落信道。陣列增益是與通過(guò)多天線陣列系統(tǒng)增強(qiáng)方向性有關(guān)的天線增益的累積。在典型的系統(tǒng)中，隨著天線陣列元索的增多，增益將以101og(n)的速度增加，這里的n為天線陣列中天線的數(shù)量。這意味著每?jī)蓚�(gè)天線將帶來(lái)一倍的增益提升。
SDC方案沒(méi)有陣列增益這個(gè)指標(biāo)，這是因?yàn)閚個(gè)天線中只有一個(gè)天線可在任何情況下使用。但是，通過(guò)空間或極化分集，SDC方案具有穩(wěn)定的分集增益。
另一個(gè)采用多天線的基本天線分集技術(shù)為EGC。與SDC方案不同，該算法并未從n條天線中選出一個(gè)天線，而是合成了所有天線的功率。多個(gè)獨(dú)立信號(hào)分支是共相位的，每個(gè)分支的增益都一樣(等增益)，然后將所有分支增益合成在一起。EGC天線分集技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分集增益，同時(shí)也產(chǎn)生了陣列增益。因此它能比SDC提供更高的天線分集增益(見(jiàn)46頁(yè)的表)。為獲得天線分集的最佳增益，可采用天線的MRC。這種技術(shù)與EGC基本相似，但該算法盡量在合成所有天線功率之前，調(diào)節(jié)各天線的相位與增益。信號(hào)的累加過(guò)程可能在模擬域或數(shù)字域內(nèi)完成。若累加過(guò)程在數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行，則從RF到基帶，每個(gè)獨(dú)立天線分支都需要RF硬件。若MRC在模擬域中實(shí)現(xiàn)，則累加過(guò)程可能直接在RF上進(jìn)行。由于對(duì)每個(gè)天線分支的頻率選擇信道特性都進(jìn)行了補(bǔ)償，所以在數(shù)字域處理后的性能將得到提升。
多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)和自適應(yīng)天線系統(tǒng)(ASS)可用于改進(jìn)鏈路容限。采用MIMO系統(tǒng)需要多個(gè)具有多次模數(shù)轉(zhuǎn)換的RF璇。采用集成的方法可降低這些多鏈路的成本。各接收鏈路之間的隔離度為20dB。RX鏈之間的增益和相位并無(wú)特殊匹配要求，這意味著射頻設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單。MIMO在TDD和FDD系統(tǒng)中運(yùn)行良好，能在多路徑環(huán)境中增加鏈路容限。
相反，對(duì)AAS或波束成形系統(tǒng)而言，TX和RX鏈需要在頻率、增益和相位等方面實(shí)現(xiàn)匹配。但用戶站通常不具備多鏈路。由于TX頻率與RX頻率相同，所以這類系統(tǒng)在TDD模式下運(yùn)行良好。AAS限據(jù)從RX信道獲取的信息評(píng)估TX信道，因此具有相同的頻率有助于改善評(píng)估結(jié)果。
在OFDMA方案中，RF信道可分成多個(gè)子信道，因?yàn)槭褂玫妮d波(tone)減少了，所以可以相應(yīng)增大功率。對(duì)于不必在上行鏈路中發(fā)射大量數(shù)據(jù)的用戶，只需分配一個(gè)較小帶寬，以便能根據(jù)用戶需求更有效地利用帶寬。但這種技術(shù)也給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)帶來(lái)很多挑戰(zhàn)。在整個(gè)傳輸增益范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)人員必須謹(jǐn)慎處理子信道之間的干擾和噪聲。除了不存在頻率隔離外，其它條件與FDD完全相同。由于濾波對(duì)該技術(shù)沒(méi)有幫助，所以它要求出色的噪聲性能與線性特性。OFDMA的另一個(gè)問(wèn)題是RF的精確度必須保持在1％范圍內(nèi)，否則在各子信道內(nèi)，不同用戶可能發(fā)生沖突。
上面討論了一些改善鏈路容限的方法，接下來(lái)介紹RF系統(tǒng)內(nèi)的詳細(xì)電路模塊，這些模塊對(duì)降低成本具有很大作用，包括占據(jù)射頻系統(tǒng)主要成本的合成器、功率放大器和濾波器。
RF系統(tǒng)模塊
1．合成器
合成器可以產(chǎn)生混合了輸入RF信號(hào)的本振(LO)信號(hào)，以得到一個(gè)可以由基帶IC進(jìn)行數(shù)字化處理的頻率較低的信號(hào)。WiMAX規(guī)范要求采用性能較高的合成器。合成器模塊占據(jù)RFIC的大部分面積，因此該模塊是RFIC中成本較高的一個(gè)部分。它的合成相位噪聲低于1deg rms，合成頻率為載波間隔的1／20至信道帶寬的1／2。因此，在1.75MHz較小帶寬下，相位噪聲的合成最低可以從100Hz開(kāi)始。對(duì)于HFDD架構(gòu)，TX到RX頻率的調(diào)整要在l00微秒內(nèi)完成。信道量化的步長(zhǎng)在3.5GHz頻帶內(nèi)為125KHz。為調(diào)整并維持這個(gè)量化步長(zhǎng)，需要考慮分?jǐn)?shù)頻率合成器。請(qǐng)注意，隨著RF頻率不斷提高，獲得低于1degrms的相位噪聲將變得更加困難。與所有射頻LO一樣，AD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘也要被看成將相位噪聲增加到整體抖動(dòng)指標(biāo)上的LO。
2．功率放大器
寬帶數(shù)字調(diào)制要求較高的線性度，但線性度高會(huì)產(chǎn)生較高的損耗。通常，效率和線性度難以實(shí)現(xiàn)最佳平衡。對(duì)于WiMAX，在距離輸出P1 dB6dB的回退(backoff)點(diǎn)上，功率放大器的效率為4％～5％。這種回退會(huì)產(chǎn)生大約2.5％的誤差矢量幅度(EVM)，或32dBc的信號(hào)噪聲失真比(SNDR)。AB類功率放大器(PA)在該點(diǎn)上的效率可達(dá)15％～18％，而EVM值基本不變。
PA設(shè)計(jì)中常被忽略的參數(shù)是建立時(shí)間。啟動(dòng)PA后，功率將會(huì)發(fā)生過(guò)沖(或下沖)，然后趨于穩(wěn)定(settle out)。在100毫秒的建立時(shí)間內(nèi)，將達(dá)到低于0.1dB的最終值。對(duì)于OFDM符號(hào)，RX需要從幀開(kāi)始到結(jié)束對(duì)載波功率進(jìn)行評(píng)估。如果從幀開(kāi)始至結(jié)束，功率下降的值大于0.1dB，則64位正交振幅調(diào)制(QAM)的BER將增大。功率下降的主要原因是偏壓電路和輸出功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)處于不同的散熱點(diǎn)上。散熱現(xiàn)象在100毫秒內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生影響。為減緩功率的降低，偏壓電路要盡可能靠近輸出FET，這樣它們就可以保持相同的運(yùn)行溫度。某些情況下，PA可能需要在TX周期之前啟動(dòng)，這樣PA就可以保持穩(wěn)定或者減緩功率降低。這意味著在發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)需要一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，而利用MAC和PHY實(shí)現(xiàn)這一觸發(fā)并非易事。對(duì)于HFDD模式，在100微秒的預(yù)算時(shí)間內(nèi)，合成器必須穩(wěn)定，且PA必須啟動(dòng)。一個(gè)切實(shí)可行的解決方案是將PA的建立時(shí)間設(shè)計(jì)成小于5微秒。
3．濾波器
濾波器用來(lái)消除鄰近或備選信道產(chǎn)生的非期望信號(hào)，這些瞬時(shí)信號(hào)產(chǎn)生的噪聲可泄漏到期望的頻帶內(nèi)。因此，在接收器中濾波并沒(méi)有效果，只有"干凈"的發(fā)射信號(hào)才沒(méi)有這種噪
聲泄漏。
關(guān)于鄰近信道的問(wèn)題，主要挑戰(zhàn)是線性度和濾波復(fù)雜性。如果非期望信道被濾除，則要求射頻器件的功率回退少一些，并有更多的AD位可用于衰落容限。采用SAW濾波器有助于降低成本，它還具有最佳的濾波效果。但這種技術(shù)的主要缺點(diǎn)是它能支持的最大信道帶寬是固定的。另一個(gè)問(wèn)題是，采用固定IF難以支持很多RF頻帶。對(duì)雜散分析而言，最佳IF性能取決于RF。
片上濾波需要占據(jù)較大的裸片面積，而且隨著信道帶寬減小，裸片面積將增大。此外，片上濾波會(huì)產(chǎn)生更多噪聲，它的優(yōu)勢(shì)在于可以調(diào)節(jié)濾波器以適應(yīng)帶寬要求。
對(duì)于基于I／Q的設(shè)計(jì)，采用片上濾波器很有必要。在片上進(jìn)行濾波可以更好地匹配濾波器，這樣可最大程度地減少由于濾波而引起的I／Q失配。利用數(shù)字濾波器在基帶IC上能實(shí)現(xiàn)最終的信道選擇。
與增益一樣，濾波也必須分布在RF頻率和下變頻頻率之間。RF濾波被用來(lái)減少鏡像和遠(yuǎn)端阻斷，例如RF以外的頻帶。RF前端必須具有足夠的線性度，以支持最大的帶內(nèi)阻斷。此外，還需考慮LO與非期望信號(hào)的相互混頻。通常，RF濾波器的工作頻率范圍大于50MHz，基于不同技術(shù)的濾波器，其Q值也有所差異。Q值越大，濾波器的體積就越大、性能也就越出色。FDD系統(tǒng)則有可能采用腔體濾波器。
