WiMAX技術(shù)領(lǐng)域的RF芯片組設計挑戰
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WiMAX標準最初旨在用于固定電臺的寬帶通信部署。隨著(zhù)這些應用的日益普及，WiMAX逐漸向點(diǎn)對多點(diǎn)連接（即面向最后一英里無(wú)線(xiàn)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)應用演變。盡管WiMAX之前的許多技術(shù)都能實(shí)現類(lèi)似的功能，但WiMAX的主要賣(mài)點(diǎn)在于這種獨特技術(shù)的互操作性。WiMAX基于802.16標準，這樣只要符合該標準的系統就能確保彼此之間實(shí)現互操作性。這為WiMAX供應商提高了靈活性，使他們能夠與各種廠(chǎng)商共同構建自己的系統，而不用擔心可用性問(wèn)題，也不必害怕系統更新與升級時(shí)發(fā)生不兼容，或延遲采購工作等。從廠(chǎng)商的角度來(lái)說(shuō)，互操作性使小型公司也能進(jìn)入市場(chǎng)來(lái)分一杯羹。如果不能確保實(shí)現互操作性，那么只能信任大型企業(yè)提供的系統組件?；ゲ僮餍缘膬?yōu)勢則在于，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(chǎng)商行列，以提供各種系統組件，從而避免服務(wù)供應商拴死在一家廠(chǎng)商上的風(fēng)險，可以在不同廠(chǎng)商間自由選擇。
WiMAX采用互操作性標準，不過(guò)系統中仍存在許多變量，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(wú)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標準。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(lái)實(shí)現性能優(yōu)勢和自身的獨特性能，以此在競爭者中獨樹(shù)一幟，同時(shí)確保符合WiMAX標準的要求。用于WiMAX無(wú)線(xiàn)電技術(shù)實(shí)施的RF芯片組應具備足夠的靈活性，以滿(mǎn)足多種實(shí)施方案的要求，并應具備足夠的性能，滿(mǎn)足標準規范的要求。我們所面臨的設計挑戰在于，確保滿(mǎn)足基本的功能要求，并了解更細微的性能參數架構要求，同時(shí)仍能符合標準要求。確保有關(guān)參數滿(mǎn)足WiMAX規范要求至關(guān)重要，只有這樣才能設計出穩健的、適合于制造要求的解決方案。
WiMAX發(fā)送器
發(fā)送器的關(guān)鍵性能參數是其在給定功率下的誤差矢量幅度(EVM)。EVM表示數字星座圖(digital constellaTIon)通過(guò)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%。與蜂窩式系統及802.11參數不同，EVM的要求要嚴格得多，我們通常以分貝為單位來(lái)計算EVM值，從而提高精確度。2.7%的標準值相當于-31.4dB。我們根據EVM為-31.4甚至更好的情況下的最大額定調制功率來(lái)確定發(fā)送器的性能。
客戶(hù)端設備(CPE)戶(hù)外系統與基站連接的線(xiàn)路通常不受什么障礙物的影響，輸出功率額定為20dBm。部署于建筑物內的系統必須解決嚴重的多路徑環(huán)境問(wèn)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格的額定功率，這主要取決于所需的連接距離以及系統實(shí)施方案。
設計人員在提高系統的額定功率輸出時(shí)，必須調整功率放大器這一主要器件。由于功率放大器對EVM的影響很大，因此我們應采用體積更大、穩健性更高的器件，這樣就能在滿(mǎn)足EVM參數-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準要求。有關(guān)標準規定絕對寄生輸出參數為-40dBm。不管輸出功率有多大，寄生信號都不能超過(guò)這個(gè)參數值。
隨著(zhù)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(huà)，那么發(fā)送器的增益也應相應提高。發(fā)送器增益的提高不僅將影響所需的信號，而且也將對不必要的寄生信號產(chǎn)生影響。由于寄生輸出參數是固定的，因此增益的提高會(huì )導致相對于參數的輸出寄生性能容限降低，因此如果系統原本滿(mǎn)足20dBm輸出功率的標準要求，那么由于增益的提高，就會(huì )難以滿(mǎn)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(mǎn)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，并與寄生輸出參數保持7至10dB的容限。這樣，設計人員就能更加靈活的根據系統需要選擇適當的功率放大器，同時(shí)還能確保滿(mǎn)足EVM的要求，并不超過(guò)寄生輸出的限制。
WiMAX接收機
接收機的關(guān)鍵性能參數是其靈敏度。有關(guān)規范制定了1E-6的最小誤碼率(BER)，達到該標準就能滿(mǎn)足規范的要求。在僅測試RF及模擬電路系統情況下，我們很難進(jìn)行實(shí)際的BER測量。我們通常將BER換算成EVM數值。根據二者的對應關(guān)系，對64-QAM調制信號而言，其靈敏度與-21.5dB的EVM值相當。通常，將該值調整為-23.5dB以便保留2dB的設計裕量。
接收機還采用自動(dòng)增益控制(AGC)電路以達到向模/數轉換器(ADC)提供固定功率的輸入信號。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功率的改變而改變以確保AGC電路輸出功率為常量。為了達到所需的系統靈敏度，需要在含AGC接收電路在適當輸入功率設置下，達到適當的系統噪聲系數性能。設計人員可通過(guò)添加額外的低噪聲放大器(LNA)或減小現有噪聲級的噪聲系數來(lái)修改系統噪聲系數，這兩種方法都能降低整體系統噪聲系數，并提高系統的靈敏度。
設計人員還應考慮到與鄰道阻塞性能有關(guān)的WiMAX參數。該參數顯示了接收機抗干擾信號的能力，以及接收機對相隔一兩個(gè)通道的阻塞抑制功能。這種接收機參數要求非常嚴格，這表明接收機工作狀態(tài)的線(xiàn)性性能要求以及線(xiàn)路中濾波器的位置及選擇性。如果我們任意地靠增加LNA來(lái)降低系統噪聲系數與提高靈敏度，那么反而可能會(huì )對阻塞性能產(chǎn)生消極影響。
我們針對兩種工作情況制定了接收機(RX)阻塞規范：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在最大和最小增益設置下的情況。就最大增益來(lái)說(shuō)，規范要求接收機工作在靈敏度水平上，即這時(shí)的輸入功率為系統檢測到EVM值為-23.5dB時(shí)的最小功率，另外加上3dB作為系統輸入信號功率，這就使EVM性能好于-23.5dB。相鄰或相隔一個(gè)通道的阻塞信號以與所需信號相同的功率級進(jìn)行傳輸并不斷增加阻塞信號功率，直到系統EVM退減至-23.5dB為止。阻斷性能由所需信號和干擾信號之間的差值表示。同樣，最小增益情況下，輸入功率以相對較高的功率進(jìn)行傳輸：-30dBm。阻斷信號以相同功率進(jìn)行傳輸，此時(shí)逐漸減小輸入信號功率，同時(shí)根據所需設置點(diǎn)調節AGC，直到系統EVM降至23.5dB為止。這種情況下，阻斷性能也由所需信號和干擾信號之間的差值表示。規范要求所需信號和阻斷信號之間的差值為相鄰通道為4dB，相隔通道為11dB。
檢測性能
我們通過(guò)采用TSW5003參考設計板的TIWiMAX芯片組來(lái)檢測發(fā)送器和接收機的WiMAX系統參數。圖1顯示了采用超外差架構的五芯片組解決方案的結構圖。
圖1：TITSW5003參考設計結構圖
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(jiàn)的信號頻帶寬度：3.5MHz、7MHz、5MHz和10MHz。TRF1223PA為1W的A類(lèi)放大器，它能在一定溫度和頻率范圍內提供20dBm的調制輸出功率。圖2所示為EVM性能曲線(xiàn)。
圖2：TSW5003收發(fā)機EVM性能與功率輸出
上述曲線(xiàn)清晰表明無(wú)線(xiàn)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(lái)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)的各種預期寄生信號。有關(guān)諧波以及時(shí)鐘信號與LO信號互調混合產(chǎn)物的寄生信號更加難以預測，這會(huì )造成嚴重障礙，特別是隨著(zhù)芯片組集成度的提高，隔離方面的問(wèn)題將更難以控制。
額定為20dBm的TSW5003設計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。提供一定的設計容限也很好，可以使解決方案靈活地采用更高的額定功率。舉例來(lái)說(shuō)，室內應用的額定功率會(huì )提高到24至27dBm，這樣我們采用適當的功率放大器并做相應改動(dòng)就可替代現有的功率放大器。與此同時(shí)，隨著(zhù)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(guò)至少還會(huì )剩下3至6dB的容限。
圖3顯示了接收機EVM曲線(xiàn)以及-20dBm的ADC恒定輸入功率。根據該圖形信息我們可得知接收機靈敏度，不過(guò)仍不能確保阻塞測量情況符合標準要求。與發(fā)射器相比較，接收機需要特定的帶寬限制濾波器來(lái)滿(mǎn)足相鄰通道的阻塞要求。該架構可支持高中頻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。低頻IFSAW無(wú)需修改任何硬件即可支持兩個(gè)不同的信號帶寬。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(mǎn)足阻塞測試規范。憑借上述方法以及TRF1216LNA中的集成可開(kāi)/關(guān)的衰減器，我們可以成功進(jìn)行高功率的阻塞測試，有助于提高高功率情況下的線(xiàn)性。圖4顯示了TSW5003的阻塞性能。
圖3：TSW5003接收機EVM曲線(xiàn)與輸入功率
接收機的高動(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實(shí)施。盡管EVM初期掃描曲線(xiàn)不明顯，其他接收機特性對確保符合標準要求以及系統實(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
結論
在WiMAX標準下采用RF芯片組時(shí)，我們應進(jìn)一步了解性能標準，而不是只考慮標準的EVM性能。我們應就寄生輸出以及RX阻塞等參數提供足夠的容限，這樣才能幫助系統設計人員推出創(chuàng )新性解決方案，從而滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，并確保產(chǎn)品的穩健性，便于投入生產(chǎn)。WiMAX的固定版標準已經(jīng)趨于確定，而802.16e移動(dòng)WiMAX標準正在受到越來(lái)越多的關(guān)注。由于標準尚未完全確定，而且越來(lái)越多的基帶供應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(lái)應對各種設計挑戰，這樣才能在市場(chǎng)中贏(yíng)得成功。
我們以TI芯片組為例說(shuō)明，它不僅能夠作為一款足夠靈活的解決方案，滿(mǎn)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。
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