采用高靈活性RF解決方案應對日益增加的頻率與無(wú)線(xiàn)標準

[摘要:] 實(shí)現無(wú)縫語(yǔ)音連接的大趨勢正極大改變無(wú)線(xiàn)基礎設施網(wǎng)絡(luò )的需求。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)向全球演進(jìn)。因此這些無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )視國家和基礎設施開(kāi)發(fā)程度的不同而工作于不同頻率。不斷演進(jìn)的射頻與不斷涌現的全新無(wú)線(xiàn)標準，進(jìn)一步推動(dòng)了市場(chǎng)對全面集成的、自適應芯片組的需求。滿(mǎn)足日新月異的無(wú)線(xiàn)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(mǎn)足OEM廠(chǎng)商對提高設計效率并同時(shí)降低設計成本的基本需求，又能進(jìn)一步確保提供增強型語(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)模擬信號鏈解決方案及其靈活的設計特性與增強型音質(zhì)功能。此外，我們還將從市場(chǎng)與消費者的角度淺談OEM廠(chǎng)商、服務(wù)供應商乃至RF市場(chǎng)如何從中受益。

引言

能否實(shí)現無(wú)縫語(yǔ)音及數據連接技術(shù)將影響無(wú)線(xiàn)基礎局端的設計要求。系統容量必須不斷提高，這要求更高帶寬的信號與多載波能力。發(fā)送器的功率及接收機的靈敏度越高，信號覆蓋范圍就越廣泛。為了確保信號無(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(chǎng)商應在確保實(shí)現高效率、低成本設計的同時(shí)還能提供更高性能的設備。

此外，OEM 廠(chǎng)商的系統必須支持包括 CDMA2000、WCDMA、GSM 及 EDGE 等在內的多種現有無(wú)線(xiàn)標準，以及諸如中國的 TD-SCDMA 和全球寬帶數據服務(wù)的 WiMAX等各種新興標準。靈活的架構應滿(mǎn)足大多數甚至所有類(lèi)型的調制需求，這對最大限度地節約設計資源、提高可靠性至關(guān)重要。全球工作頻帶的多樣化進(jìn)一步加劇了復雜性，大多數語(yǔ)音通信所采用的頻率介于 800 MHz 至 2.1 GHz 之間，數據服務(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(mǎn)足多種頻帶與各種無(wú)線(xiàn)調制標準需求的高靈活性解決方案。鑒于此，TI 推出了一款可滿(mǎn)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(mǎn)足嚴格的基站規范要求。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計方案。

發(fā)送器架構

發(fā)送器的兩大架構選項是直接上變頻架構和超外差架構。傳統的超外差架構包括兩個(gè)混頻階段 (mixing stage)，信號首先向上轉換為固定中頻 (IF) 信號，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，直接從基帶信號轉換為所選的 RF 通道信號。圖 1 給出了以上兩種架構的結構圖。

圖 1 超外差架構與直接上變頻架構

直接上變頻方案采用正交調制器 (quadrature modulator)，并且消除了采用額外混頻級、合成器以及 SAW 濾波器的麻煩，這不僅大幅簡(jiǎn)化了設計工作，同時(shí)也顯著(zhù)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 等在內的各種調制技術(shù)，因而具有最高的靈活性。

由于無(wú)需采用窄帶濾波器，因此該架構可支持與所選調制方案相對應的各種信號帶寬。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 信號帶寬。由于無(wú)帶寬限制，因此同時(shí)也支持多載波應用。此外，直接上變頻架構還能支持數字預失真 (DPD) 線(xiàn)性化信號。該信號的帶寬必須高達所需信號帶寬的五倍，該信號中包含為消除功率放大器的非線(xiàn)性影響而修正過(guò)的三階與五階產(chǎn)物。

直接上變頻調制器

直接上變頻調制器由差動(dòng)同相 (I) 與正交相 (Q) 信號組成，二者匯總于輸出端。直接上變頻法必須使用正交調制器?；谡徽{制器固有特性，本機振蕩器 (LO) 自身信號及不必要的鏡像信號（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本振泄漏與無(wú)用邊帶的抑制性能優(yōu)于35 dBc，因為隨著(zhù)溫度的變化，正交調制器這兩個(gè)指標可能會(huì )惡化。如果需要進(jìn)一步的抑制，我們還可在數模轉換器 (DAC) 中做進(jìn)一步微調。諸如 TI DAC5687 等數據轉換器可提供具備內置調節功能的 I/Q接口，從而可滿(mǎn)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 調制器的關(guān)健參數。該調制器的線(xiàn)性及輸出噪聲參數對系統性能設置至關(guān)重要。這些參數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(xiàn)電系統的最大輸出功率。對于如 CDMA 及 OFDM 等極高峰均比 (PAR) 的調制信號來(lái)說(shuō)，調制器在傳輸信號峰值時(shí)要避免對相鄰頻道功率比 (ACPR) 性能造成較大負面影響，這對滿(mǎn)足標準的要求是至關(guān)重要的。

表 1 TRF3703 RF 參數

我們只需回退正交調制器的輸出功率，理論上就可以提高 ACPR 性能。如果器件符合標準模型的話(huà)，那么每 1dB 的信號功率回退，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 ACPR 性能。為打破這一局面，關(guān)鍵在于保持調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)也不能讓調制器輸出電平過(guò)高，要避免器件工作在非線(xiàn)性區降低 ACPR 性能。最佳電平取決于調制信號的 PAR 及載波數量。在大多數情況下，最佳窗體寬度僅為1至 2dB。

噪聲基底性能還決定著(zhù)給定輸出功率下無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能否滿(mǎn)足寄生要求。舉例來(lái)說(shuō)，調制器的輸出功率設為 -10 dBm以提供足夠的線(xiàn)性功能。20 W 的無(wú)線(xiàn)電系統會(huì )需要調制器輸出向天線(xiàn)輸入提供額外的 53dB 增益。假定不采用噪聲濾波，后續階段也不會(huì )增加額外的噪聲，那么在 1 MHz 帶寬（標準規范下典型的噪聲帶寬）內，輸出噪聲電平可通過(guò)以下計算得出：

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帶寬內具有 -50 dBm 的噪聲輸出功率。這符合有關(guān)標準要求。

合成器

調制器需要合成 LO 源，然后根據所選輸出頻道進(jìn)行編程。傳統的合成器實(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雜性。類(lèi)似于 TITRF3761 整數 PLL 頻率合成器的只需一個(gè)外部環(huán)路濾波器即可，因為 VCO 已集成在硅芯片上了?？蓪Νh(huán)路濾波器進(jìn)行優(yōu)化，以加快 TDD 系統通常要求的鎖定時(shí)間。此外，該器件還采用“除二和除四”特性，使一個(gè)器件能適應較大的工作范圍。

盡管集成型頻率合成器能顯著(zhù)縮小系統尺寸并降低成本，但相位噪聲是非常關(guān)鍵的參數，其性能不容衰減。LO 的相位噪聲信號將被傳輸至調制器的輸出信號上，這對于高帶寬 CDMA 調制信號、GSM 等窄帶調制信號以及 WiMAX 信號所用的 OFDM 調制等高頻子載波系統而言，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。在低頻情況下對器件加以?xún)?yōu)化后還能進(jìn)一步提高系統性能。

測量結果

TI 提供的 TSW3003 參考設計顯示了發(fā)送器直接上變頻架構。該電路板采用可驅動(dòng) TRF3703 正交調制器的 DAC5687 器件。TRF3761 集成合成器可提供 LO 源。采用 WCDMA 信號標準時(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 內可提供 -77 dBc 的噪聲功率輸出。

圖2 采用WCDMA 標準時(shí)的 TSW3003 ACPR 性能

采用 EDGE 信號標準時(shí)，我們對 EVM 進(jìn)行測量。TSW3003 電路板的 EVM 性能小于1.5%。當頻率為 1800 MHz 時(shí)，其測量結果如圖 3 所示。

圖 3 采用EDGE 標準時(shí)的 TSW3003 性能

就采用 OFDM 及 64 QAM 調制方案的 WiMAX 信號而言，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)鍵性能參數為 EVM 性能。該系統在 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 )出現衰減，但上述參數盡可能地降低了性能衰減。

圖 4 采用64-QAM WiMAX 標準時(shí)的 TSW3003 性能

上述不同調制信號標準與頻率下的測量結果顯示了器件的靈活性與性能，這有助于 OEM 設計人員在不影響系統性能并確保滿(mǎn)足有關(guān)規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 現任 TI 位于得克薩斯州達拉斯市總部無(wú)線(xiàn)基礎局端業(yè)務(wù)部負責 WiMAX 產(chǎn)品組的 RF 應用工程師。他在移動(dòng)通信局端設備及 WiMAX 系統的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與應用領(lǐng)域擁有超過(guò) 14 年的豐富工作經(jīng)驗。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。